Desarrollo de un software para estudios de cortocircuitos…

DESARROLLO DE UN SOFTWARE PARA
ESTUDIOS DE CORTOCIRCUITO EN SISTEMAS
ELÉCTRICOS COMERCIALES E INDUSTRIALES

INTRODUCCIÓN

En los últimos años, se han presentado
numerosos cortocircuitos en el sistema
eléctrico del edificio Petróleos de Venezuela, en
las que se ha perdido la selectividad del sistema de
protección, lo que ha traído como consecuencia que
sea interrumpida la alimentación
eléctrica a una zona muy amplia del sistema
eléctrico, lo cual aumenta la frecuencia media de
interrupciones. En otros casos, ocurrió la
explosión de algunos interruptores de caja moldeada en
tableros de distribución, motivado a que estos no
poseían una adecuada capacidad de
interrupción.

El objetivo
principal de este trabajo es la reducción de la frecuencia
de interrupciones en el sistema
eléctrico del edificio "Petróleos de Venezuela", en
caso de cortocircuitos, para asegurar la continuidad del servicio
eléctrico en el mismo. Adicionalmente se planteó
también el desarrollo de
un software para el
cálculo
de corriente de cortocircuitos el cual sería una valiosa
herramienta para la realización del estudio.

En vista de la necesidad que tiene Corpoven en disminuir la
frecuencia media de interrupciones en su Edificio Sede, fue
necesario un estudio de niveles de cortocircuito y
revisión de las protecciones eléctricas, que
permita la propuesta de recomendaciones para solventar el
problema aumentando la continuidad del servicio
eléctrico.

La frecuencia de interrupciones es la medida que nos
permite conocer el número promedio de veces que se
interrumpe el servicio de
energía
eléctrica a un sistema en un
período de tiempo dado, y
esta puede aumentar debido al mal funcionamiento de los equipos
de protección eléctrica.

Este trabajo de investigación incluyó el cálculo de
corrientes de cortocircuito simétricas y
asimétricas en los tableros del edificio, la
verificación de las capacidades de interrupción de
los equipos de protección, su coordinación y un
breve estudio sobre la influencia de corrientes armónicas
en las protecciones eléctricas. Dichos estudios son muy
valiosos para la generación de las propuestas que
darán una solución al problema, en base a los
resultados obtenidos.

El contenido del trabajo se dividió en cinco
capítulos, definidos de la siguiente manera:

Capítulo I: Se hace una reseña de la empresa
(Corpoven) y el planteamiento del
problema de investigación, los objetivos,
limitaciones y alcances del trabajo realizado.

Capítulo II: Incluye los fundamentos teóricos
de la investigación: corrientes de cortocircuito,
protecciones eléctricas, frecuencia media de
interrupciones y armónicos.

Capítulo III: Se señalan los pasos, métodos y
procedimientos
aplicados para la realización del estudio.

Capítulo IV: Se describen las condiciones actuales
del sistema eléctrico de edificio, sus niveles de
cortocircuito y el comportamiento
de los equipos de protección en caso de cortocircuitos.
También se analiza la influencia de las corrientes
armónicas sobre las protecciones y se realiza el cálculo de
la frecuencia de interrupción actual.

Capítulo V: Aquí se proponen soluciones
para reducir la frecuencia de interrupciones actual, se analiza
la factibilidad
de sistema propuesto y se realiza el cálculo de
la nueva frecuencia media de interrupciones al ser llevada a cabo
la propuesta.

Finalmente se emitieron conclusiones y recomendaciones como
consecuencia del estudio realizado.

CAPITULO I

ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1. Aspectos generales de la empresa

El 1° de enero de 1976, con la nacionalización de
la Industria
Petrolera, nace en nuestro país la empresa
Petróleos de Venezuela S.A.
(PDVSA), con catorce filiales: Lagoven, Maraven, Meneven,
Llanoven, Bariven, Deltaven, Talaven, Boscaven, Amaven, Palmaven,
Vistaven, Roqueven, Guariven y la Corporación Venezolana
del Petróleo
(C.V.P.). Un año después se anuncia la primera
etapa del proceso de
nacionalización de la estructura
organizativa de la industria, al
reducirse de catorce a cinco el número de filiales: CVP,
Maraven, Llanoven, Meneven y Lagoven.

Corpoven es registrada como filial de Petróleos de
Venezuela S.A.
en noviembre de 1978 e inicia sus actividades el 18 de diciembre
del mismo año. Se originó de la unión de la
CVP con Llanoven. En 1986 las empresas Meneven
y Corpoven S.A. son fusionadas en una sola empresa,
conservando el nombre de Corpoven S.A.

Dentro de las responsabilidades de Corpoven S.A. como empresa integrada
están la realización de actividades de
exploración, producción, refinación, transporte y
comercialización nacional e internacional
de crudos, gas natural y
productos
refinados derivados de los hidrocarburos.

Corpoven S.A. se encuentra distribuida en todo el territorio
nacional por medio de una red de oficinas de mercadeo,
refinerías, estaciones de producción, plantas
compresoras de gas, gasoductos,
oleoductos, plantas de
distribución de combustible, estaciones de
servicio, etc.
Los centros más importantes de esta empresa son
refinería Puerto La Cruz, Planta criogénica "Jose",
Distrito Anaco, Distrito San Tomé, Planta de Distribución "Yagua", refinería El
Palito y Distrito Barinas.

El lugar de elaboración del Trabajo Especial de Grado
es en la Sede Principal de Corpoven ubicada en la Torre Oeste del
edificio Petróleos de Venezuela S.A.
La Campiña, Caracas. En el mismo edificio funciona
también la sede principal de Petróleos de
Venezuela, en la Torre Este. Este edificio fue construido
alrededor del año 1978, cuando fue creada Corpoven. En el
anexo A.2 se muestra una
fotografía
de dicho edificio.

1.2. Estructura
organizativa de la empresa

Los elementos del esquema gerencial de la empresa son:
La Junta Directiva, Comité de Accionistas, Oficina de la
Presidencia, Comités Ejecutivos, Comités
Organizativos, los Directores y las Gerencias Generales.

El Trabajo Especial de Grado se llevó a cabo en la
sección de Electricidad del
Departamento de Mantenimiento
y Operaciones,
que depende de la Gerencia de
Instalaciones y a su vez la Gerencia
General de Servicios.

1.2.1. La Gerencia de
Instalaciones

La Gerencia de
Instalaciones pertenece a la Gerencia
General de Servicios
Corporativos y se encarga de mantener, actualizar y operar en
óptimas condiciones las instalaciones administrativas de
Corpoven en el Área Metropolitana y Distritos. La
Gerencia de Instalaciones está integrada por los
siguientes departamentos: Mantenimiento y Operaciones,
Mantenimiento de Oficinas, Ingeniería, Suministro y
Protección. Esta Gerencia cumple con las siguientes
asignaciones:

-Garantizar un eficiente funcionamiento, conservación
y mantenimiento de los edificios ubicados en el
Área Metropolitana y Distritos, así como de
sistemas,
equipos e instalaciones.

-Garantizar una óptima protección al personal y a
los edificios e instalaciones ubicadas en el Área
Metropolitana, lo cual comprende el cumplimiento de las
normas y
procedimientos
establecidos por la Gerencia General de Protección.

1.2.2. Departamento de Mantenimiento
y Operaciones

Este departamento se encuentra organizado de la siguiente
forma: Sección de Electricidad y
Electrónica, Sección de Mecánica y Aire
Acondicionado, Servicios y
Mantenimiento de edificios administrativos en el área
Metropolitana.

En la figura 1 se muestra el
organigrama
funcional de la Gerencia General de Servicios,
indicando la estructura
del departamento de Mantenimiento y Operaciones.

Este trabajo especial de grado se llevará a cabo en
la Sección de Electricidad y
Electrónica del departamento de
Mantenimiento y Operaciones.

Figura 1

Ubicación de la Sección
de Electricidad y
Electrónica dentro de la
Organización

1.3. Breve descripción del sistema
eléctrico del edificio

El suministro de energía lo realiza La Electricidad de
Caracas a 480 voltios y es distribuida en forma radial a
través de toda la edificación por medio de
tableros. La alimentación primaria
recibida de La Electricidad de Caracas, se distribuye a partir de
dos subestaciones principales: "Subestación #1" y
"Subestación #2" que alimentan cinco barras en 480 V. Las
subestaciones #1 y #2 alimentan los 11 siguientes tableros
principales (ver anexo A.1. y el diagrama
unifilar, anexo A): Tablero general torre este, tablero general
torre oeste, tablero preferencial#1, tablero preferencial#2,
tablero de servicios
comunes, tablero plaza aérea, tablero cocina – comedor,
tablero SMA (Salas de Manejo de Aire) torre este,
tablero SMA torre oeste, tablero aire
acondicionado barra "A" y tablero aire
acondicionado barra "B".

Luego, la energía de distribuye a más de
250 tableros de distribución en toda la extensión
del edificio.

1.4. Descripción del Problema

En los últimos años, se han presentado
numerosas fallas por cortocircuitos (trifásicas, fase a
fase y fase a tierra) en el
sistema eléctrico del edificio Petróleos de
Venezuela La Campiña, debido fundamentalmente a la ruptura
del aislamiento de los conductores que distribuyen la energía
eléctrica en el edificio y accidentes al
momento de realizar instalaciones eléctricas.

Entre estos casos de cortocircuitos, se han presentado
situaciones en las cuales la protección inmediata
encargada de despejar el cortocircuito no ha actuado y la
apertura del circuito con fines de eliminar la falla ha sido
llevada a cabo por protecciones ubicadas aguas arriba del
circuito fallado, lo que ha traído como consecuencia que
sea interrumpida la alimentación
eléctrica a una zona mas amplia del sistema
eléctrico, lo cual no es deseable, ya que se deja de
suministrar energía a cargas que no deberían verse
afectadas por la falla, lo que implica un deterioro en la
calidad del
servicio
eléctrico. Esto a su vez trae como consecuencia que se
aumente la frecuencia de interrupción (relación
entre la carga interrumpida y la carga instalada)
innecesariamente, motivado a una falta de selectividad en los
sistemas de
protección.

Como ejemplo se puede señalar una falla causada
por un cortocircuito a tierra en un
circuito de iluminación del penth house ocasionó el
accionamiento de la protección contra falla a tierra que
abrió uno de los interruptores principales de la
subestación #2 (52-P4) dejando sin energía a los
tableros generales de la torre oeste y a las salas de manejo de
aire de esa misma
torre. Como este caso han ocurrido otros similares, en los cuales
la solución tomada ha sido la disminución de la
sensibilidad de la protección mencionada o su completa
inhabilitación, sin hacer ningún tipo de estudio de
corrientes de cortocircuito y/o coordinación de
protecciones.

Otro de los problemas que
ha tenido el sistema de protección es que en algunos
cortocircuitos, los interruptores de caja moldeada han explotado
a causa de corrientes de cortocircuito con magnitud superior a la
capacidad máxima de interrupción del
breaker.

Es de hacer notar que la problemática planteada
es sólo en caso de ocurrencia de cortocircuitos, ya que
los equipos de protección se encuentran bien ajustados
para condiciones nominales (normales) de carga, por tanto el
estudio para la reducción de la frecuencia de
interrupción se debe enfocar a las interrupciones causadas
por cortocircuitos, y en especial las fallas
monofásicas.

Otro factor importante que contribuye a la
problemática es que actualmente no se verifican los
niveles de cortocircuito al instalar las protecciones de nuevos
tableros y equipos, lo cual podría estar ocasionando
problemas de
dimensionamiento de los mismos. Igualmente se han hecho
considerables modificaciones al sistema eléctrico del
edificio, entre las cuales están las ocurridas en el
año 1992 al construir una nueva subestación y
traspasar cargas de una subestación a otra, lo que
modifica significativamente los niveles de cortocircuito, por lo
cual se precisa una actualización de esta información.

Las razones expuestas, plantean por sí mismas la
relevancia del trabajo a realizar, en el sistema eléctrico
del edificio Petróleos de Venezuela La
Campiña.

1.5. Justificación

La operación poco selectiva de los sistemas de
protección del edificio trae como consecuencia que la
calidad del
servicio eléctrico prestado empeore, ya que se deja sin
energía partes del sistema que no son afectadas
directamente en caso de ocurrencia de una falla.

Actualmente los sistemas de
protección eléctrica del edificio Petróleos
de Venezuela carecen de una selectividad adecuada, por lo que en
caso de cortocircuitos en algunos equipos como tomacorrientes o
iluminación, por ejemplo, se provoca el accionamiento de
protecciones aguas arriba a la falla, dejando sin suministro
eléctrico a una gran parte del sistema, como puede ser una
torre completa, con las graves consecuencias que esto
acarrea.

Mediante el reconocimiento de los niveles de
cortocircuito de la red y del estado actual
de los sistemas de protección contra cortocircuitos del
edificio Petróleos de Venezuela será posible
determinar cuales son las pautas a seguir para corregir los
problemas que
presenta actualmente, asegurando la eficiente selectividad de las
protecciones y suspendiendo el suministro de energía
eléctrica sólo a las partes realmente afectadas
por la falla, aumentando la confiabilidad del servicio
eléctrico en el edificio, denotado por la reducción
de la frecuencia de interrupción en los tableros de
distribución ya que la carga interrumpida
para aislar fallas por cortocircuito se minimiza.

Igualmente es necesario que el personal
encargado de proyectar las nuevas instalaciones eléctricas
del edificio cuente con herramientas
para un cálculo
rápido y exacto de los niveles de cortocircuito con la
finalidad de que las protecciones asociadas a los equipos sean
las más adecuadas. Esto puede lograrse mediante el
desarrollo de
un software que
determine los niveles de cortocircuito en cualquier punto de la
red
eléctrica del edificio.

1.6. Objetivos de
la investigación

1.6.1. Objetivo
general

Realizar un estudio con el fin de reducir la
frecuencia de interrupción en los tableros del sistema
eléctrico del edificio Petróleos de Venezuela en
caso de fallas simétricas y asimétricas, mediante
el cálculo de las corrientes de cortocircuito de la
red y la evaluación
de los sistemas de protección instalados, incluyendo la
verificación de la coordinación de protecciones,
señalando las posibles soluciones y
recomendaciones con fines de aumentar la selectividad de los
mismos, así como la continuidad del servicio
eléctrico en el edificio.

1.6.2. Objetivos
específicos

a.- Actualizar los diagramas
unifilares del edificio, incluyendo información de los sistemas de
protección instalados.

b.- Desarrollar un software adaptado a
necesidades particulares para el cálculo de los niveles de
cortocircuitos simétricos y asimétricos en los
circuitos
ramales y tableros del sistema de distribución
eléctrico del edificio Petróleos de Venezuela La
Campiña.

c.- Calcular los niveles de cortocircuito
simétrico y asimétrico en todos los circuitos
ramales, subtableros y tableros principales que componen el
sistema eléctrico del edificio Petróleos de
Venezuela La Campiña.

d.- Revisar la coordinación de
protecciones de manera que se logre una selectiva y adecuada
protección en los alimentadores, circuitos
ramales y equipos de la red, ante fallas por
cortocircuitos simétricos y asimétricos.

e.- Verificar las capacidades de
interrupción de los elementos de protección para
tableros de iluminación, tomacorrientes, cargas generales,
motores, compresores de
aire y gas, transformadores
de distribución, etc., en función de los niveles de
cortocircuito de la red, a modo de garantizar la operación
segura de estos equipos, y establecer el límite inferior
de corriente de interrupción en caso de sustituciones o
instalación de nuevos equipos.

f.- Evaluar las protecciones asociadas a los
alimentadores principales y circuitos
ramales del sistema de distribución, en cuanto a los
niveles de cortocircuito simétrico.

g.- Establecer conclusiones y posibles
recomendaciones en base al análisis de la información obtenida en los distintos
estudios.

1.7. Alcance

Las actividades de la investigación se llevaron a cabo sobre el
sistema eléctrico del edificio Petróleos de
Venezuela, a partir del punto de entrega en baja tensión
de La Electricidad de Caracas, incluyendo las dos subestaciones
de Corpoven y todos los tableros de distribución de
energía
eléctrica. En esta investigación se hará un estudio
sobre la situación actual de los sistemas de
protección en caso de cortocircuitos para indicar las
posibles acciones y
recomendaciones que se puedan hacer para mejorar su
funcionamiento y selectividad e incrementando así la
continuidad del servicio eléctrico.

Respecto al software a ser desarrollado,
este deberá ser capaz de determinar el valor de las
corrientes de cortocircuito simétrico o asimétrico
en cualquier punto de la red, una vez introducidos y almacenados
los datos de la
configuración del sistema necesarios para el
cálculo, considerando entre ellos la contribución
de los grandes motores de
inducción.

Con la realización de este trabajo, el
departamento de Mantenimiento y Operaciones del
edificio Petróleos de Venezuela tiene información detallada acerca de cómo
disminuir la frecuencia de interrupción en tableros del
sistema eléctrico del edificio.

1.8. Limitaciones

El principal factor que influyó adversamente
sobre el cumplimiento de los objetivos
planteados en este trabajo es la dificultad para localizar
información sobre los diferentes equipos y
configuración actual del sistema eléctrico del
edificio, ya que parte de esta información no se mantiene
actualizada (en particular las longitudes de cables alimentadores
de tableros, subtableros, transformadores
de distribución y motores; todos en
gran número), y se carece además de datos detallados
sobre los equipos de protección instalados en muchos de
los tableros del edificio. Igualmente fue difícil
conseguir la información correspondiente a la reactancia
subtransitoria de secuencia cero de los distintos elementos de la
red necesarios para el análisis de fallas
asimétricas.

CAPITULO II

BASES TEÓRICAS

2.1. Corrientes de cortocircuito

2.1.1. Introducción

Un cortocircuito es un fenómeno eléctrico
que ocurre cuando dos puntos entre los cuales existe una
diferencia de potencial se ponen en contacto entre sí,
caracterizándose por elevadas corrientes circulantes hasta
el punto de falla.

Las corrientes de cortocircuito podrían
considerarse análogas al flujo de agua en una
planta hidroeléctrica (figura 2). La cantidad de agua que fluye
en condiciones normales depende de la carga de las turbinas. En
este caso, dentro de los límites razonables, no seria de
mayor importancia que el reservorio sea grande o pequeño.
Este flujo de agua
sería comparable al flujo de corriente eléctrica de
carga en un sistema de distribución eléctrico, como
por ejemplo el de un edificio.

Figura 2.

Las corrientes de carga y cortocircuito
se asemejan al flujo de agua

en esta planta
hidroeléctrica

Fuente: Estudio de
protecciones, Edificio Sede. Jantesa, 1979.

Por otra parte, si la represa se rompe, la cantidad de
agua que
fluirá dependerá de la capacidad del reservorio, y
tendrá muy poca relación con la carga de las
turbinas. En este caso sí tiene mucha importancia que el
reservorio sea grande o pequeño (capacidad de almacenamiento de
agua). Esta capacidad de almacenamiento de
agua se asocia con la capacidad de potencia
eléctrica que puede entregar la empresa que
suministra energía
eléctrica al edificio en caso de un
cortocircuito.

Al igual que el flujo de agua en la planta
hidroeléctrica, la corriente eléctrica de carga
produce trabajo útil, mientras que la corriente de
cortocircuito produce efectos destructivos.

La magnitud de la corriente que fluirá a
través de un cortocircuito depende principalmente de dos
factores:

1) Las características y el número de
fuentes que
alimentan al cortocircuito.

2) La oposición o resistencia que
presente el propio circuito de distribución.

Las fuentes
principales de corrientes de cortocircuito son los generadores
existentes en el sistema de potencia local y
la generación remota de la red que le suministra
energía eléctrica (red pública), sin
embargo, los motores
sincrónicos y de inducción que antes de la falla
representaban una carga para el sistema, en condiciones de
cortocircuito, se comportan como generadores durante un tiempo
relativamente corto. La contribución de estas fuentes se
observa en la figura 3.

La oposición que presenta el propio circuito de
distribución al flujo de la corriente de cortocircuito se
denomina "impedancia" en términos eléctricos y
depende de la configuración del sistema eléctrico,
y se calcula a partir de la impedancia de cada uno de los
componentes del sistema.

Otro de los factores que influyen sobre la magnitud de
la corriente de cortocircuito son el momento, tipo y
ubicación de la falla.

Figura 3.

Contribuciones de varias fuentes a la
corriente de cortocircuito

Fuente: IEEE
241-1990 [5]

Entre las causas más frecuentes de cortocircuitos
a nivel de instalaciones comerciales e industriales podemos
mencionar las debidas a la ruptura o debilitamiento del
aislamiento de conductores y/o equipos y los producidos por
agentes ambientales.

Los efectos de las corrientes de cortocircuitos son muy
variados, pero los más importantes son el debido al efecto
Joule (calentamiento de los equipos eléctricos debido a la
gran circulación de corriente), esfuerzos
electromecánicos en las máquinas eléctricas
y destrucción física del lugar de
la falla cuando se producen grandes arcos eléctricos. De
los efectos de las fallas por cortocircuito, el más
notorio es la interrupción del suministro eléctrico
debido a la necesaria apertura del circuito eléctrico por
parte de los dispositivos de protección para despejar la
falla y evitar mayores daños en el sistema.

Aún cuando se diseñe muy cuidadosamente un
sistema de potencia, este
estará siempre expuesto al daño que puedan causar
flujos de corriente en condiciones de cortocircuito tales como
sobrecalentamientos y arcos eléctricos destructivos. Para
asegurar que los equipos de protección puedan aislar
fallas rápidamente y minimizar el daño de cada uno
de los componentes del sistema de potencia y el
riesgo del
personal, el
estudio de corrientes de cortocircuito debe ser incluido en el
diseño
de los sistemas de potencia y
también cuando se hagan modificaciones a los sistemas
existentes.

2.1.2 Características de la corriente de
cortocircuito

El proceso que
ocurre en el sistema de potencia al producirse una falla causada
por un cortocircuito es esencialmente de carácter
transitorio. La corriente en régimen normal es una onda
sinusoidal a 60 herz de frecuencia y amplitud constante, no
así cuando sucede un cortocircuito. La forma de onda en
este caso sigue teniendo una forma sinusoidal a 60 herz pero va
decreciendo exponencialmente desde un valor inicial
máximo hasta su valor en
régimen estacionario (ver figura 4, corriente
total).

Para estudiar el sistema en este estado
transitorio se divide el período de ocurrencia de la falla
en una serie sucesiva de intervalos "casi estacionarios" los
cuales son el período subtransitorio, transitorio y
estacionario o permanente, y se aplica el concepto de
impedancia para determinar la corriente correspondiente a cada
uno de estos estados o intervalos.

La aplicación de el concepto de
impedancia se ve plasmado en la asignación de impedancias
variables con
el tiempo a las
máquinas rotativas las cuales son las fuentes de
corriente de cortocircuito. En las máquinas rotativas de
corriente alterna
generalmente la impedancia puede modelarse como una reactancia
inductiva debido a la naturaleza
inductiva de sus arrollados, por lo que generalmente se
consideran tres reactancias (X) asociadas a cada uno de los
intervalos en los que se divide la falla:

1) La reactancia subtransitoria Xd" que es la reactancia
aparente del arrollado del estator en el instante del
cortocircuito y determina el flujo de corriente en los primeros
30 ciclos (hasta ½ segundo) aproximadamente.

2) La reactancia transitoria X’ que determina la
corriente durante el período siguiente al subtransitorio y
abarca el rango de tiempo entre
½ y 2 segundos después de la ocurrencia del
cortocircuito.

3) La reactancia sincrónica Xd, la cual determina
el flujo de corriente cuando se establece el período
estacionario.

Dependiendo de la magnitud y defasaje en el tiempo entre las
ondas de
tensión y corriente de un sistema en el instante del
cortocircuito, la corriente de falla puede presentar características de asimetría (ver
figura 4) con respecto al eje normal de la corriente; en general
esto ocurre cuando la onda de tensión normal se encuentra
en un valor distinto
a su pico máximo en el momento de ocurrencia de la falla.
Para producir la máxima asimetría el cortocircuito
siempre debe ocurrir cuando la onda de tensión se
encuentre pasando por cero (magnitud cero). En un sistema
trifásico balanceado (con tres tensiones defasadas
120º), la máxima corriente asimétrica ocurre
solamente en una de las fases del sistema (cualquiera de las
tres).

La asimetría de la corriente de cortocircuito
surge debido a que bajo las condiciones explicadas anteriormente,
la corriente que fluye tiene dos componentes: el componente de
corriente alterna
(componente ac) y un componente de corriente directa (componente
dc) tal como ocurre en los circuitos RL
de corriente
alterna. Este componente dc decrece a medida que pasa el
tiempo ya que su energía se disipa en forma de calor por la
resistencia del
circuito (efecto Joule). Motivado a esto, la rata de
decrecimiento es inversamente proporcional a la relación
entre la resistencia y
reactancia del circuito (X/R) (entre mas baja es la
relación X/R, más rápido es el
decrecimiento). Por ejemplo, en sistemas de baja tensión,
la relación X/R generalmente es baja (menor a 15) por lo
que la componente dc decae a cero en un rango entre 1 y 6 ciclos
dependiendo del caso.

Como se observa en la figura 4, el valor
máximo de la corriente asimétrica ocurre cerca del
medio ciclo a partir del instante del cortocircuito.

Figura 4.

Efecto de asimetría en la
corriente de cortocircuito

Fuente: IEEE
241-1990 [5]

Como se dijo anteriormente, las corrientes de
cortocircuito tienen varias fuentes, las cuales contribuyen en
forma diferente dependiendo de su naturaleza. La
forma en que las distintas fuentes alimentan al cortocircuito se
muestra en la
figura 5. A causa de que las corrientes de las máquinas
rotativas decrecen a medida que se reduce el flujo después
del cortocircuito, la corriente de cortocircuito total decae con
el tiempo. Considerando solamente la parte simétrica de la
corriente de cortocircuito, la magnitud es máxima en el
primer medio ciclo luego del cortocircuito y de un valor
más bajo unos pocos ciclos después. Nótese
que el componente del motor de inducción desaparecerá completamente
luego de uno o dos ciclos, exceptuando los motores
más grandes en la cual se puede presentar por más
de cuatro ciclos.

Figura 5.

Corrientes de cortocircuito
simétricas de algunas fuentes

Fuente: IEEE
241-1990 [5]

2.2. Cálculo de las corrientes de
cortocircuito

Existen varios métodos
para calcular corrientes de c.c. los cuales se describirán
más adelante, pero todos necesitan de una
elaboración previa de un diagrama
unifilar con su correspondiente diagrama de
impedancias, explicados a continuación.

2.2.1. Diagrama
Unifilar

El diagrama
unifilar es la representación del sistema a ser estudiado.
Resulta de la simplificación de un sistema
trifásico equilibrado como un circuito monofásico,
formado por una de las tres líneas y un neutro de retorno.
Otra de las simplificaciones hechas es suprimir el cierre del
circuito por el neutro e indicando sus partes componentes por
medio de símbolos normalizados en vez de sus circuitos
equivalentes. Los planos del apéndice A son diagramas
unifilares que representan el sistema eléctrico del
edificio.

La finalidad de un diagrama unifilar es suministrar de
manera sencilla y concisa los datos más
significativos e importantes de un sistema. La información
que se representa en el diagrama depende del estudio que se
está realizando. Por ejemplo, para estudios de
cortocircuito es fundamental representar los equipos de maniobra
y protección tales como interruptores, relés y
fusibles.

2.2.2. Diagrama de impedancias

El diagrama unifilar debe transformarse en un diagrama
de impedancias que muestre el circuito equivalente de cada
componente del sistema referido al mismo lado de uno de los
transformadores para estudiar el comportamiento
en condiciones de carga o al presentarse un
cortocircuito.

Los circuitos equivalentes para el estudio de
cortocircuito de los distintos componentes del sistema son los
siguientes:

– Generadores y Motores: La representación
elemental de una máquina sincrónica es una fuente
de tensión en serie con una impedancia. Los motores de
inducción se representan igual que las
máquinas sincrónicas pero se considera su
contribución al cortocircuito solo en los primeros
ciclos.

– Transformadores:
Generalmente se representan por su circuito equivalente "T"
ignorando su rama magnetizante.

– Líneas de transmisión y Cables: El
circuito equivalente a utilizar depende de la longitud de la
línea, usándose el modelo "p"
para líneas largas y medias. las líneas y cables
cortos se representan como una resistencia en
serie con una inductancia.

– Cargas: Se pueden modelar como impedancias de valor
constante que consumen potencia activa y reactiva. En estudios de
cortocircuito se representan como circuitos abiertos.

-Sistemas externos: Se modela por el circuito
equivalente de Thévenin donde la tensión
equivalente depende de las tensiones internas de los generadores
y la impedancia equivalente depende del resto de elementos del
sistema.

El diagrama de impedancia que se describe en esta
sección se denomina diagrama de secuencia positiva, ya que
representan impedancias para las corrientes equilibradas de un
circuito trifásico simétrico. Como se
explicará más adelante, también existen
diagramas de
impedancias para otras secuencias (negativa y cero), siendo en
esencia iguales a los de secuencia positiva pero usando otros
circuitos equivalentes.

2.2.3. Sistema Por Unidad

Para simplificar la elaboración del diagrama de
impedancias y los cálculos de corrientes de cortocircuito,
frecuentemente se transforman los valores
reales de las variables e
impedancias (Voltios, Amperios, Ohmios) a una nueva magnitud
llamada "por unidad" (p.u.). Esta magnitud resulta de dividir el
valor real de la variable entre un valor base o de referencia de
la misma (un valor razonable), el cual tiene una unidad igual a
la del valor real resultando un número
adimensional.

valor real de la variable

Variable en p.u. = ¾ ¾ ¾ ¾
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

valor base de la variable

Otro sistema usado es el valor "por ciento" (%) que es
igual a 100 veces el valor por unidad.

La utilización del sistema por unidad tiene
muchas ventajas, entre ellas:

– Las impedancias de las máquinas rotativas y
transformadores son del mismo orden independiente
del tamaño de los mismos.

– Permite detectar fácilmente los errores de
cálculo.

– Se reduce el empleo de la
en los
cálculos trifásicos.

– Se evita la referencia de cantidades de uno a otro
lado de los transformadores.

– Se evita el trabajo con
cantidades demasiado grandes, disminuyendo los errores en el caso
de usar computadores para los cálculos.

– Los fabricantes normalmente especifican las
impedancias de los equipos eléctricos en por unidad o en
por ciento.

Una elección arbitraria de dos cantidades
(generalmente tensión y potencia) como valores bases,
fijan al mismo tiempo los demás valores base
necesarios (corriente, impedancia) para elaborar el diagrama a
partir de las relaciones entre ellas como por ejemplo la ley de Ohm. Las
ecuaciones
para la impedancia base y corriente base son las
siguientes:

Respetando ciertas condiciones al seleccionar los valores
base (como tensión base igual a la tensión
línea a línea del sistema), las leyes y
relaciones eléctricas más utilizadas tales como la
ley de Ohm,
leyes de
Kirchhoff, ley de la
potencias, etc.; se cumplen igual que en un circuito
monofásico de corriente
alterna.

En muchos casos la impedancia en por unidad de un
componente de un sistema está expresado en una base
distinta que la seleccionada como base en el estudio (como en el
caso de transformadores, generadores y motores), siendo necesario
cambiarla a la nueva base usando la ecuación

Zp.u. nueva = Zp.u. vieja .
(Vbase viejo / Vbase
nuevo)2 . (Sbase nueva /
Sbase vieja)

Donde:

Zp.u. vieja = Impedancia de placa del
equipo.

Vbase viejo = Tensión nominal
del equipo.

Vbase nuevo = Tensión base del
sistema.

Sbase viejo = Potencia nominal del
equipo.

Sbase nuevo = Potencia base del
sistema.

2.2.4. Tipos de fallas por cortocircuitos en sistemas
de potencia

Se produce un cortocircuito en un sistema de potencia,
cuando entran en contacto, entre sí o con tierra,
conductores energizados correspondientes a distintas fases.
Normalmente las corrientes de cortocircuito son muy elevadas,
entre 5 y 20 veces el valor máximo de la corriente de
carga en el punto de falla. Los cortocircuitos se pueden
clasificar en simétricas (balanceadas) y
asimétricas (desbalanceadas). En las fallas
simétricas la corriente de las tres fases del sistema son
iguales en el instante del cortocircuito. Entre ellas
tenemos:

– Cortocircuito trifásico: Se ponen en contacto
las tres fases en un mismo punto del sistema. Es el cortocircuito
más severo en la mayoría de los casos.

– Cortocircuito trifásico a tierra: Se
ponen en contacto las tres fases y tierra en un mismo punto del
sistema.

En las fallas asimétricas la corriente en las
tres fases del sistema no son iguales en el instante del
cortocircuito. Entre ellas tenemos:

-Cortocircuito bifásico (fase a fase): Entran en
contacto dos fases cualquiera del sistema.

-Cortocircuito bifásico a tierra (dos fases a
tierra): Entran en contacto dos fases cualquiera y la tierra del
sistema.

-Cortocircuito monofásico (fase a tierra): Ocurre
al ponerse en contacto una fase cualquiera con la tierra del
sistema. Es el cortocircuito más frecuente.

2.2.5. Métodos
para el cálculo de corrientes de
cortocircuito

Existen diferentes métodos
para hallar el valor de las corrientes de cortocircuito en
cualquier punto de un sistema de potencia, siendo algunos el
método de
reducción de mallas, el método de
contribución y el método de
componentes simétricas.

El método de
reducción de mallas se basa en el teorema de
Thévenin, modelando el sistema en el punto de falla como
una fuente de tensión (voltaje Thévenin) con
magnitud igual al voltaje previo a la falla en serie con una
impedancia equivalente (impedancia de Thévenin vista desde
el punto de falla) la cual se halla por reducción de
mallas del diagrama de impedancias correspondiente. Ya con el
modelo de
Thévenin es muy sencillo calcular la corriente de
cortocircuito que viene dada por el voltaje de Thévenin
entre la impedancia de Thévenin. Este método no
considera las corrientes que circulan previas a la falla , pero
en la mayoría de los sistema de potencia la
aproximación es razonable.

El método de contribución es una
aplicación del teorema de superposición, partiendo
del cálculo de la corriente de cortocircuito que produce
cada fuente individualmente sobre el punto de falla. Luego, la
corriente de cortocircuito total será la suma de las
distintas contribuciones individuales de cada fuente. Presenta la
desventaja de ser poco práctico en el caso de existir
muchas fuentes de corrientes de cortocircuito.

El método de componentes simétricas
está basado en la descomposición de vectores que
representan corrientes desequilibradas (fallas
asimétricas) en sistemas de vectores
equilibrados denominados componentes simétricos. Con esta
herramienta, las fallas asimétricas se pueden estudiar de
manera similar a como se estudian las fallas simétricas
(trifásicas). Este método se explicara con
más detalle más adelante.

Un método adicional muy usado para el
cálculo utilizando computadores es empleando la matriz de
impedancia de barra para determinar las corrientes de
cortocircuito. Este método se fundamenta en las
propiedades que tiene esta matriz las
cuales se explican a continuación.

2.2.6. La matriz de
impedancias de barra en los cálculos de
cortocircuito

La matriz de
impedancias de barra (Zbarra) es importante y
muy útil para efectuar cálculos de fallas. Existen
diversos métodos
rápidos para desarrollar Zbarra a partir
de una lista de elementos de impedancia. El método que se
describe en esta sección es a través de la inversión de la matriz de
admitancias de barra (Ybarra) debido a su gran
sencillez y exactitud.

Las matrices
Zbarra y Ybarra son
simétricas respecto a la diagonal principal y están
relacionadas por [Zbarra]=
[Ybarra]-1. Los elementos de
Zbarra en la diagonal principal se llaman
"impedancias propias de los nodos" y los elementos fuera de la
diagonal se conocen como "impedancias mutuas de los
nodos".

Para hallar la matriz Zbarra se
invierte la matriz Ybarra por cualquier
método (tal como Gauss – Jordan). Para conseguir la matriz
de admitancia de barra se deben seguir los siguientes
pasos:

1. Se construye un diagrama de admitancias del sistema a
partir del diagrama de impedancias (invirtiendo una a una cada
impedancia).

2. Los nodos o puntos de interés
(puntos de falla) se consideran como "barras" del
sistema.

3. Cada valor de la diagonal de la matriz de admitancia
es la suma de las admitancias unidas a la barra respectiva y cada
elemento (i,j) fuera de la diagonal es igual al negativo
(multiplicada por -1) de la admitancia que une a las dos barras i
y j.

Este método se explica con detalle en la
sección 7.4 del Stevenson [17]

Para una falla trifásica en la barra k, con un
voltaje de prefalla igual a Vf, la corriente de cortocircuito es
Icc = Vf / Zkk , donde Zkk es el elemento (k,k) de la matriz
Zbarra .

Si se desprecian las corrientes de prefalla, los
voltajes de prefalla en todas las barras son iguales, por lo que
la tensión en la barra m en el momento de un cortocircuito
en la barra k es Vm = Vf (1-Zmk/Zkk).

La corriente total de cortocircuito entre las dos barra
n y m es

Inm=(Vn-Vm)/znm , donde znm es la
impedancia del elemento entre las barras n y m.

2.2.7. Método de componentes
simétricos

Este método se usa para estudiar fallas
asimétricas en los sistemas de potencia, tales como
cortocircuitos, conductores abiertos y fallas a través de
impedancias. Este método se basa en un trabajo publicado
por C.L. Fortescue, donde se demuestra que un sistema
trifásico desequilibrado se puede descomponer en un
sistema trifásico de vectores
equilibrados llamados "componentes simétricos" de los valores
originales. Los conjuntos
equilibrados son:

1. Componentes de secuencia positiva, formados por tres
vectores de igual
módulo, con diferencias de fase de 120° y con la misma
secuencia de fases de los vectores
originales.

2. Componentes de secuencia negativa, formados por tres
vectores de igual módulo, con diferencias de fase de
120° y con la secuencia de fases opuestas a la de los
vectores originales.

3. Componentes de secuencia cero, formados por tres
vectores de igual módulo y con una diferencia de fase
nula.

La caída de tensión que se origina en una
parte de la red por la corriente de una secuencia determinada
depende de la impedancia de tal parte del circuito para la
corriente de dicha secuencia. las impedancias de un circuito o un
elemento a las corrientes de distintas secuencias se suelen
llamar impedancias de secuencia positiva, impedancia de secuencia
negativa e impedancia de secuencia cero. Las corrientes de
cualquier secuencia pueden considerarse como circulando en una
red independiente formada por solamente por las impedancias a la
corriente de tal secuencia, por lo tanto el análisis de una falla asimétrica en
un sistema simétrico consiste en la determinación
de los componentes simétricos de las corrientes
desequilibradas que circulan.

El circuito equivalente monofásico formado por
las impedancias a la corriente de cualquier secuencia
exclusivamente, se denomina "red de secuencia" para tal
secuencia. las impedancias de secuencia de los distintos
elementos que pueden conformar un sistema de potencia son las
siguientes:

– Máquinas giratorias: las impedancias de las
tres secuencias generalmente son diferentes, aunque no hay casi
diferencia entre la magnitud de la impedancia de secuencia
positiva y negativa. La impedancia de secuencia cero generalmente
tiene un valor menor a las de secuencia positiva y
negativa.

– Líneas y Cables: las impedancias de secuencia
positiva y negativa son iguales. la impedancia de secuencia cero
es de 2 a 3,5 veces mayor que la reactancia de secuencia
positiva.

–Transformadores: se acostumbra a suponer que las
impedancias de todas las secuencias son iguales, cualquiera sea
el tipo de transformador.

– Cargas: las cargas conectadas en estrella o en delta
suelen tener también las tres impedancias de secuencia
iguales.

En cuanto a las redes de secuencia, se puede
decir que las corrientes de secuencia cero circularán
sólo si existe un camino de retorno por tierra (puestas a
tierra) por donde pueda cerrarse el circuito. La impedancia
conectada entre el neutro de una máquina y tierra
sólo forma parte de la red de secuencia cero, ya que las
corrientes de secuencia positiva y negativa no circularán
al ser cero su suma vectorial en el neutro. Si una impedancia con
valor Zn se intercala entre el neutro y la tierra de
un circuito conectado en estrella, debe colocarse una impedancia
de valor 3Zn entre el neutro y la barra de referencia de la red
de secuencia cero.

Un circuito conectado en delta, por no disponer de
camino de retorno, presenta una impedancia infinita a las
corrientes de secuencia cero, aunque estas pueden circular en el
interior de la delta.

Las máquinas rotativas (generadores, motores)
tienen tensiones internas solamente de secuencia positiva. Las
redes de
secuencia negativa y cero, si se necesitan, se hallan
sustitituyendo las impedancias de secuencia y omitiendo las
f.e.m.

La red de secuencia cero de líneas y cables se
representan tal cual como su equivalente de secuencia positiva,
pero cambiando los valores de
la impedancia de secuencia cero. La red de secuencia negativa es
igual a la de secuencia positiva.

Las redes de secuencia positiva
y negativa de las cargas son iguales, sin embargo, la forma de la
red de secuencia cero depende de la forma de conexión de
la impedancia entre neutro y tierra. En estudios de corrientes de
cortocircuito generalmente se desprecia la influencia de las
cargas pasivas.

La red de secuencia negativa de transformadores es igual
a la de secuencia positiva, pero las diversas combinaciones
posibles de los devanados primario y secundario en estrella y
delta varían la red de secuencia cero, tal como se
muestra en el
anexo B.

2.2.8. Cálculo de corrientes de cortocircuito
asimétricas utilizando el método de componentes
simétricos

Luego de determinadas las redes de secuencia del
circuito, estas se interconectan para representar los diferentes
tipos de falla. Ya que se supone linealidad en las redes de secuencia, cada una
de las redes puede reemplazarse por su equivalente de
Thévenin, entre la barra de referencia y el punto de
falla. La tensión del generador único del circuito
equivalente para la red de secuencia positiva es Vf
(tensión prefalla) respecto al neutro en el punto de
aplicación de la falla. La impedancia Z1 del
circuito equivalente es la impedancia medida entre el punto P y
la barra de referencia de la red de secuencia positiva con todas
las f.e.m. internas en cortocircuito.

Como no circulan corrientes de secuencia negativa o cero
antes de la ocurrencia de la falla, no aparecen f.e.m. en los
circuitos equivalentes de las redes de secuencia negativa o cero.
Las impedancias Z2 y Z0 se miden entre el
punto P y la barra de referencia en sus redes
respectivas.

Al interconectar las redes de secuencia convenientemente
y realizar los análisis correspondientes (véase
capitulo 13 del Stevenson), se obtienen los siguientes resultados
para las distintas fallas asimétricas en un punto del
sistema de potencia:

– Falla simple línea a tierra (fase a
tierra):

3 Vf

Ia = ———— , Ib = Ic =
0

Z1+Z2+Z0

– Falla línea a línea (entre las fases b y
c):

Vf

Ib = -Ic = ———— , Ia = 0. Si
Z1=Z2, entonces Ib = 0.866
Icc3ø

Z1+Z2

– Falla doble línea a tierra(entre las fases b, c
y tierra):

Vf

Ib = -Ic =
—————————,
Ia = 0.

Z1 + Z2Z0 /
(Z2+Z0)

donde:

Ia, ib, Ic = Corrientes de cortocircuito en las fases a,
b y c.

Vf = Tensión de prefalla entre fase y
neutro

Icc3ø = Corriente de cortocircuito
trifásica

Z1, Z2, Z0 =
Impedancias equivalentes de secuencia positiva, negativa y
cero.

El método de la matriz de impedancias de barra
para hallar corrientes de cortocircuito trifásicas se
puede ampliar fácilmente a fallas asimétricas
teniendo en cuenta que las redes de secuencia negativa y cero
pueden representarse por redes equivalentes de igual manera como
se hizo con las redes de secuencia positiva. El método es
útil para hallar las impedancias equivalentes
Z1, Z2 y Z0, representadas por
las impedancias de la diagonal de la matriz
Zbarra. Así, con la matriz de
impedancias de barra para cada red de secuencia todas las
características de las soluciones con
un computador
digital para fallas simétricos trifásicos pueden
extenderse a fallas asimétricas.

2.2.9. Cálculo de corrientes de cortocircuito
en sistemas de baja tensión (edificios
comerciales)

Según el IEEE Std 242-1986 [6], solamente se
requiere calcular los valores
máximos de corriente de cortocircuito simétrica
para el primer ciclo (½ ciclo), ya que la
componente dc decae rápidamente en los sistemas de baja
tensión debido a que X/R es muy baja.

El punto de partida es la preparación de un
diagrama unifilar con la identificación y datos de los
elementos del sistema, tales como generadores, motores, cables,
transformadores, red de suministro de energía, equipo de
protección y maniobra (interruptores, relés,
fusibles), etc.

El próximo paso es determinar, del diagrama
unifilar, la localización y tipo de fallas a estudiar,
considerando las condiciones más severas de
operación como lo son interconexiones cerradas, todas las
fuentes de cortocircuito, expansión del sistema a futuro,
etc. Las fallas a estudiar son:

– Trifásica (con contacto directo entre los
conductores): Es el estudio más común y
básico en sistemas de potencia de edificios comerciales.
No es muy frecuente, pero generalmente establecen los valores
máximos de corriente de cortocircuito.

– Línea a línea: Las corrientes son
aproximadamente un 87% del valor para la falla
trifásica.

– Línea a tierra: Las corrientes son usualmente
iguales o menores a la corriente trifásica debido a la
alta impedancia de retorno por tierra, aunque bajo ciertas
condiciones pueda ser mayor en teoría
a la de falla trifásica. Sin embargo, las pruebas en
sistemas reales demuestran que la corriente de falla a tierra es
siempre menor a la trifásica.

– Fallas con arco: No hay contacto directo entre los
conductores, la corriente circula a través de un arco
eléctrico de alta impedancia y es mucho menor a la
corriente de falla con contacto directo en la misma
localización. Estas fallas son muy peligrosas y
difíciles de detectar. La tabla 1 muestra los
multiplicadores para estimar los valores de
corrientes con arco a partir de las fallas con contacto
directo.

Tabla 1.

Valores mínimos aproximados de
corrientes para fallas con arco en por unidad de los valores de
falla con contacto directo entre los conductores

Fuente: Tabla 63 del
IEEE 241-1990 [5]

Posteriormente se debe preparar un diagrama de
impedancias dependiendo del tipo de falla a estudiar: si solo se
estudiarán las trifásicas, sólo se requiere
el diagrama de secuencia positiva; si se estudiarán las
fallas asimétricas, se requiere adicionalmente el diagrama
de secuencia cero y se asume el diagrama de secuencia negativa
igual al de secuencia positiva. Los diagramas deben
contener los valores de impedancia (resistencia y
reactancia) convertidos a por unidad, la identificación de
cada barra y de cada componente del sistema.

Para hacer los diagramas de
impedancias se requiere determinar la impedancia de cada uno de
los componentes del sistema, para lo cual se recomienda seguir
las siguientes consideraciones y simplificaciones:

– Se desprecian las cargas pasivas (impedancia infinita
a referencia).

– Las tensiones de las máquinas rotativas y la
fuente de suministro de potencia se asumen constantes con un
valor igual a la tensión nominal del sistema, con esto no
se consideran las corrientes de prefalla, las cuales son
despreciables.

– Cómo sólo se necesitan los valores de
corrientes cortocircuito para el primer ciclo, se usarán
las reactancias subtransitorias de las máquinas rotativas
y demás elementos del sistema.

– Los valores de impedancia de los distintos componentes
del sistema se obtienen preferiblemente de los datos de placa
del fabricante, pero si no se tienen se pueden obtener de tablas
que especifican valores aproximados tales como las descritas en
el capítulo 3.

– Se desprecian las impedancias de barras colectoras,
interruptores y transformadores de corriente.

– Se desprecia la contribución de motores o
grupos de
motores de inducción con potencia menor a 50 HP,
debido a su poca contribución a la corriente de
cortocircuito total (véase tabla 12 del IEEE Std 399-1990
en el anexo B).

-Se asume un valor de 1 por unidad para la impedancia
equivalente del sistema exterior (alimentación del
sistema que se está estudiando, red pública),
suponiendo que las tensiones y potencias de cortocircuito bases
son iguales a las tomadas para el análisis, de lo contrario esta impedancia
se debe cambiar a las bases del estudio.

Finalmente, a partir de los diagramas, se hacen los
cálculos de corriente de cortocircuito, bien sea a mano o
con la ayuda de un computador
digital.

2.3. Coordinación de
protecciones

Es la operación selectiva de los diferentes
dispositivos de protección, de manera que éstos
actúen en secuencia, permitan la localización de
las condiciones de falla y se saque de servicio solamente la
parte afectado.

La coordinación se realiza más
fácilmente si las características tiempo – corriente de los
diferentes dispositivos son dibujadas en papel log –
log (logarítmico). Las gráficas en papel se deben
hacer a un solo nivel de tensión y se muestra, en un par
de ejes (corriente y tiempo), el período de tiempo que
tarda en operar cada dispositivo cuando la corriente es igual al
valor seleccionado. El tiempo igual a cero se considera como el
momento en que ocurre la falla.

Estas representaciones de las características de
los relés de sobrecorriente, fusibles, interruptores
termomagnéticos y otros dispositivos, ayudan en la
elección del equipo correcto y la selectividad
deseada.

Los pasos generales que se deben seguir para un estudio
de coordinación de protecciones, son los
siguientes:

1. Recopilar la información necesaria sobre el
sistema eléctrico a proteger, indicando las
características de los elementos del sistema en el
diagrama unifilar.

2. Determinar los valores máximos de carga, de
acuerdo a la capacidad nominal del circuito protegido.

3. Calcular las corrientes de cortocircuito
máximas y mínimas en los puntos del sistema que
sean importantes para la coordinación.

4. Recopilar y seleccionar información
técnica sobre los equipos de protección existentes
o que se instalarán en el sistema eléctrico, entre
ellas las curvas características de tiempo – corriente de
cada dispositivo de protección. Esta información
generalmente la suministra el fabricante.

5. Ubicar y seleccionar las características y
rango de ajustes de los equipos de protección para que
cumplan con las exigencias básicas del circuito a proteger
y las normas existentes
para tal fin.

6. El proceso de
coordinación debe realizarse desde la carga hacia la
fuente, en los sistemas radiales.

7. Realizar la coordinación, es decir, escoger
las características de operación y ajuste de los
dispositivos de protección de modo que exista
selectividad. Toda esta información se resume en
gráficos de tiempo – corriente (en papel
logarítmico) para verificar el cumplimiento de los
requerimientos de protección y
coordinación.

2.3.1. Descripción de algunos equipos para
protección de sobrecorriente en sistemas de baja
tensión

Algunos de los dispositivos de protección
más comúnmente usados en los sistemas
eléctricos de baja tensión son los fusibles
limitadores, interruptores termomagnéticos y conjuntos
relés – interruptores de potencia. A continuación
se realiza una breve descripción de estos:

• Fusibles limitadores:

Los fusibles se definen como dispositivos de
sobrecorriente con una parte extraible que se calienta y es
destruida cuando pasa una cantidad de corriente prefijada,
provocando la apertura del circuito asociado al mismo. Todos los
fusible tienen la capacidad de limitar la corriente, pero el
término "fusibles limitadores" se aplica a fusibles con
una acción limitadora mucho más pronunciada. Estos
fusibles son diseñados para actuar mucho más
rápido que los fusibles normales, ya que pueden realizar
la apertura del circuito en menos de ¼ de ciclo a 60 Hz,
antes que la magnitud de la corriente de cortocircuito llegue a
sus valores máximos.

Su principal uso es acompañado de interruptores o
contactores de bajo voltaje, para evitar su destrucción
cuando las magnitudes de la corriente de falla superen la
capacidad de interrupción de los mismos.

• Interruptores termomagnéticos
(breakers, interruptores de caja moldeada):

Son dispositivos diseñados para abrir o cerrar un
circuito eléctrico manualmente y para abrir dicho circuito
automáticamente cuando circula por él un valor
predeterminado de sobrecorriente (sobrecarga o cortocircuito).
Estos interruptores son muy utilizados para la protección
de sobrecorriente en sistemas eléctricos industriales y en
edificios. En el anexo C se pueden observar varios modelos de
interruptores de este tipo.

Estos interruptores, como su nombre lo indica, poseen
dos acciones de
disparo, una térmica y otra magnética. La
acción de disparo térmica (protección
contra sobrecargas), se obtiene a base del empleo de un
dispositivo bimetálico que se calienta al circular por
él la corriente. La curva de operación de la
acción térmica se conoce como "curva de corriente
de tiempo inverso" ya que el dispositivo bimetálico
actúa más rápidamente mientras mayor sea la
corriente de sobrecarga. La acción de disparo
magnética (protección contra
cortocircuitos), se obtiene al conectar un electroimán en
serie con el dispositivo bimetálico. Cuando ocurre un
cortocircuito, la corriente activa al electroimán,
abriendo los contactos del interruptor instantáneamente
(menos de un ciclo).

• Interruptores de potencia con unidades de
disparo (relés) de estado
sólido:

Este conjunto se usa cuando los niveles de corriente no
permiten el uso de dispositivos de acción directa. El
conjunto requiere elementos de muestreo
(transformadores de corriente) y elementos de control para el
disparo del interruptor. Generalmente se emplean en los
interruptores principales de las subestaciones o en interruptores
para alimentadores de importancia. Los relés de estado
sólido presentan bastante exactitud en los umbrales de
disparo y tienen curvas de operación ajustables
según la necesidad. Generalmente estas unidades de disparo
incluyen las siguientes funciones:

– Disparo instantáneo: el interruptor opera
inmediatamente al ocurrir la falla. Se utiliza para zonas del
circuito donde los cortocircuitos deben despejarse en forma
rápida para evitar daños.

– Curva de retardo largo (L.T.D.): se utiliza para
limitar las sobrecargas en el orden de segundos a
minutos.

– Curva de retardo corto (S.T.D.): se provoca un retardo
intencional de pocos ciclos de corriente con la finalidad de
lograr coordinación con protecciones aguas
abajo.

– Falla a tierra: se fija el umbral de corriente y el
tiempo de retardo para la operación del interruptor en
caso de cortocircuitos monofásicos. Para sensar las
corrientes de falla a tierra generalmente se colocan los
transformadores de corriente en conexión residual que
detectan el flujo de corriente por tierra (el relé sensa
la suma fasorial de las corrientes de fases más la del
neutro por medio de la conexión en estrella de los
transformadores de corriente. En condiciones normales la suma
fasorial es cero). Esta función debe tener un ajuste en
corriente y tiempo coordinado con protecciones falla a tierra
aguas abajo.

2.4. Frecuencia media de
interrupciones

Según la Norma sobre los indicadores de
gestión de CADAFE [3], la Frecuencia de interrupciones
(F) es la medida que nos permite conocer el número
promedio de veces que se interrumpe el servicio de energía
eléctrica a un circuito en un período de tiempo
dado. Viene dado por:

F = S KVA(Int) / S
KVA(Inst)

Donde:

S KVA(Int) =
Sumatoria de los Kilo Voltio Amperios Interrumpidos.

S KVA(Inst) =
Sumatoria de los Kilo Voltio Amperios Instalados.

Se deben desagregar las interrupciones por parte de
la empresa de
suministro eléctrico.

Los factores más importantes que pueden influir
en el aumento de la frecuencia media de interrupción en un
sistema eléctrico, según la definición
anterior, son: fallas simétricas o asimétricas
causadas por cortocircuitos o fases abiertas, operación
errónea de dispositivos de protección y poca
selectividad, entre otros.

2.5. Armónicos en los sistemas
eléctricos de potencia

La introducción de nuevas tecnologías en
los sistemas de potencia tales como cargas no lineales basadas en
semiconductores que requieren corrientes no
sinusoidales ha traído como consecuencia el flujo de
corrientes armónicas hacia el sistema de potencia AC. Esta
situación puede crear interferencia con los equipos de
comunicación, sobrecalentamiento de equipos
y peligrosas condiciones de resonancia en el sistema.

Los armónicos no son más que componentes
senoidales de una onda la cual tiene una frecuencia que es
múltiplo entero de la frecuencia fundamental (60 Hz) de
una onda no senoidal de tensión y/o corriente. Su efecto
se puede observar fácilmente como una deformación
de la onda de tensión o corriente, que deja de ser
puramente senoidal, como debería ser
idealmente.

En edificios comerciales, el que más contribuye
al flujo de armónicos es el computador
personal (PC)
debido a que usan una fuente de alimentación tipo
diodo/condensador (switch), al igual
que la mayoría de los otros equipos electrónicos de
oficina. Las
armónicas también son generadas por las bobinas
(balastos) para lámparas fluorescentes. En el caso de
lámparas con bobinas de núcleos magnéticos
normales, la corriente de tercera armónica generada (a 120
Hz) se situa en 20% aproximadamente de la frecuencia fundamental
a 60 Hz. Los balastos electrónicos generan una tercera
armónica aún mayor, de hasta 80%. Otros equipos de
estado
sólido, como los de comunicación, arrancadores suaves de
motores, rectificadores AC-DC y fuentes de energía
ininterrumpibles (UPS) también contribuyen en gran
proporción al flujo de armónicas en los sistemas de
potencia de edificios.

La Distorsión Armónica Total (THD) es un
término comúnmente usado para definir el "factor de
distorsión armónica" (DF) en la tensión o
corriente, es decir, el efecto de los armónicos sobre la
tensión o corriente del sistema de potencia. Este factor
se usa en sistemas de baja, media y alta tensión. Este
factor se expresa en porcentaje de la onda fundamental, y
está definido por:

THD = DF =

THD =
(en la tensión)

THD = (en
la corriente)

Donde:

Vh = Tensión del
armónico de orden h (h=1 corresponde a la
tensión fundamental)

Ih = Corriente del armónico de
orden h (h=1 corresponde a la corriente
fundamental)

La IEEE 519-1992 [8], establece los límites de
distorsión armónica en la corriente para sistemas
de distribución, en función de la relación
Icc/IL (máxima corriente de cortocircuito
simétrica entre la máxima corriente de carga) (ver
anexo F). Esta misma norma establece también los
límites de distorsión armónica presentes en
la tensión para sistemas de potencia (también en el
anexo F).

Los principales efectos de los armónicos en los
distintos elementos del sistema de potencia son los
siguientes:

-Condiciones de resonancia: Es el efecto
más peligroso y destructivo de las corrientes
armónicas. Estas condiciones aparecen debido a los valores
de impedancia que presenta el sistema a las frecuencias
armónicas.

-Motores, Generadores y transformadores: Se
incrementa el calentamiento debido al aumento de las
pérdidas en el cobre y el
núcleo a las frecuencias armónicas, disminuyendo su
eficiencia.
Estos equipos también pudieran tener problemas con
el aislamiento.

-Cables: Cuando se ven involucrados en
condiciones de resonancia se puede romper su aislamiento.
También sufren sobrecalentamientos debido a que la
corriente rms total se puede ver incrementada al haber contenido
de armónicas en la corriente (el amperaje de los cables
generalmente se escoge en base a la corriente
fundamental).

-Capacitores: Se ven afectados al existir
condiciones de resonancia y están expuestos a tensiones y
corrientes considerablemente más altas que las normales,
ya que la reactancia del capacitor disminuye a medida que aumenta
la frecuencia.

-Equipo electrónico: Es susceptible a la
mala operación causada por la distorsión
armónica, ya que su funcionamiento depende de la forma de
onda de la tensión.

-Equipos de medición: Se pueden presentar
errores en la medición tanto positivos como negativos,
dependiendo de los armónicos involucrados y del tipo de
medidor. En general se requiere un factor de distorsión
armónica severo (mayor al 20%) para observar errores
significativos.

-Relés de protección: Según
la IEEE 519-1992, es muy difícil determinar con exactitud
la respuesta de los relés en sistemas que presentan
distorsión armónica, pero generalmente se requieren
factores de distorsión del 10 al 20% para causar problemas en
la operación de los relés.

-Interferencia telefónica: Se introducen
ruidos en estos sistemas de comunicación debido a la aparición
campos eléctricos y magnéticos en sus
proximidades.

CAPÍTULO III

MARCO
METODOLÓGICO

3.1. Área de
investigación

Este Trabajo Especial de Grado se desarrolló en
el Departamento de Sección de Electricidad y Electrónica del departamento de
Mantenimiento y Operaciones de la Gerencia de Mantenimiento del
edificio Petróleos de Venezuela La Campiña. En esta
sección se realiza el mantenimiento
preventivo y correctivo, proyectos y
mejoras en el área eléctrica y electrónica de todo el edificio
Petróleos de Venezuela así como otros edificios de
Corpoven en el área Metropolitana.

Los proyectos
realizados por esta sección incluyen las modificaciones
del sistema eléctrico del edificio, ya que continuamente
se instalan nuevos equipos, obligando a hacer estudios que
revelen las condiciones en que se encuentra el
sistema.

Se hizo el estudio en el sistema eléctrico del
edificio Petróleos de Venezuela, a partir de la acometida
de La Electricidad de Caracas hasta los diferentes tableros de
distribución eléctrica.

3.2. Tipo de investigación

El presente proyecto titulado
"DESARROLLO DE
UN SOFTWARE PARA ESTUDIOS DE CORTOCIRCUITO EN SISTEMAS
ELÉCTRICOS COMERCIALES E INDUSTRIALES", cuyas
características ya se han indicado, se encuentra enmarcado
en la modalidad de Proyecto
Factible, ya que proporciona una solución posible a un
problema del tipo práctico, para satisfacer las
necesidades de una organización como Corpoven.

"El proyecto factible
consiste en la elaboración de un modelo
operativo viable, o una solución posible a un problema del
tipo práctico, para satisfacer necesidades de una
institución o grupo social".
Fuente: Manual de
Trabajos de Grado de Maestría y Tesis
Doctorales, Universidad
Pedagógica Experimental Libertador, Capítulo
II.

Se puede destacar que las fases metodológicas que
sigue la investigación, se adaptan a la afirmación
anterior.

3.3. Antecedentes

El antecedente más importante de este proyecto de
investigación lo constituye el estudio de los niveles de
cortocircuito y coordinación de protecciones del sistema
eléctrico del edificio realizado por JANTESA titulado
"Informe sobre el
cálculo, selección y ajuste de los equipos de
protección de sistema eléctrico – industrial
instalado en el edificio sede de C.V.P. La Campiña" que
data del año 1979 cuando se proyectó el sistema
eléctrico del edificio. Anexo a este informe, esta
misma empresa
realizó un estudio en julio del año 1990 titulado
"Suplemento al informe sobre el
cálculo, selección y ajuste de los equipos de
protección del sistema eléctrico industrial
instalado en el edificio" donde se especifican los datos para el
ajuste de los dispositivos de protección de los
interruptores principales en las dos subestaciones y donde
además se recomienda realizar una coordinación de
protecciones más profunda, incluyendo los tableros
más allá de las barras principales de las
subestaciones.

También se dispone de un informe de
pasantías titulado "Estudio de Cargas del Edificio
Petróleos de Venezuela" hecho por Juan Ascencao en 1988 en
donde se realizó ajustes de un relé de balance de
cargas y en el cual se recomienda llevar a cabo un estudio de
coordinación de protecciones del edificio. Sin embargo la
ocurrencia de muchas fallas en donde no han operado bien los
sistemas de protección del edificio ameritan una
revisión del mismo.

En la actualidad existen numerosos programas
(software) para el cálculo de corrientes de cortocircuito,
pero no se tiene conocimiento
de alguno que esté adaptado especialmente para el
cálculo de corrientes de cortocircuito en
edificios.

3.4. Revisión
bibliográfica

Para la realización del proyecto se
realizó en primer lugar la búsqueda de
información bibliográfica, que permitió
determinar la metodología a seguir para darle
solución al problema. Se revisaron libros de
análisis de
sistemas de potencia, recomendaciones y estándares del
Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) para el
cálculo de corrientes de cortocircuito y
coordinación de protecciones, así como otros
trabajos especiales de grado referentes al tema.

3.5. Fases de la investigación

Con fines de reducir la frecuencia de
interrupción en el sistema eléctrico del edificio
"Petróleos de Venezuela" y ya señalada la
problemática actual, se precisó la revisión
de los ajustes y capacidades de interrupción de los
equipos de protección actualmente instalados en caso de
fallas por cortocircuitos, para lo cual fue necesaria la
actualización del diagrama unifilar y el cálculo de
los niveles de cortocircuito en varios puntos del mismo, haciendo
énfasis en los lugares mas propensos a fallas en donde se
presuma que no están funcionando bien los equipos de
protección. Se desarrollo
también un software que permitió simplificar los
cálculos de corriente de cortocircuito y es además
muy útil para el cálculo en sistemas
eléctricos de potencia en edificios
comerciales.

3.5.1. Actualización del diagrama unifilar del
sistema y búsqueda de información

Esta tarea se realizó usando como base los
archivos,
planos, estudios y planillas de tableros, existentes hasta la
fecha y tomando en cuenta las modificaciones hechas. En muchos
casos la información no se tenía a la mano o se
quería verificar, por lo que se obtuvo por medio del
recorrido de circuitos y visitas a los distintos tableros y
equipos en el sitio. Para estas tareas se contó con el
total apoyo del personal del
departamento de Mantenimiento y Operaciones del área
metropolitana.

En algunas situaciones fue imposible obtener
directamente la información requerida para los estudios de
cortocircuito y coordinación de protecciones debido a la
falta de información técnica de los fabricantes,
ausencia o inaccesibilidad a la placa de los equipos, por lo cual
se usaron tablas con valores estándar que mostraban los
valores requeridos, como se explicará con más
detalle luego.

En resumen, la información recopilada fue la
siguiente:

– Estudio de cortocircuito: Tensión nominal de
todos los elementos del sistema. Tipo aislamiento, calibre,
tubería y longitud de cables. Tipo, capacidad (HP) y
conexión de motores y generadores. Tipo, capacidad (KVA),
conexión e impedancia de transformadores.
características, relación X/R y capacidad de
cortocircuito en la alimentación del sistema
eléctrico de la Electricidad de Caracas.

– Estudio de protecciones: Tipo, marca, modelo,
tensión nominal, ajustes, capacidad de interrupción
para cada dispositivo de protección por sobrecorriente
instalado en el edificio.

El diagrama unifilar realizado se muestra en el
apéndice A y muestra parte de la información
recopilada. La actualización del diagrama unifilar y
recopilación de información fue un trabajo complejo
debido a la variedad de tableros, cables y equipos instalados; y
también debido a que muchas de las modificaciones hechas
no se asentaron en su momento en el diagrama unifilar.

3.5.2. Consideraciones y simplificaciones hechas para
el cálculo de los niveles de cortocircuito

Como consecuencia de lo explicado en la sección
2.2.9., sólo se calcularon los máximos valores de
corriente de cortocircuito simétrico para el primer medio
ciclo.

Primeramente se seleccionó
el tipo y ubicación de las fallas a estudiar. Las fallas
escogidas fueron:

-Falla trifásica: ya que es la más severa
de todas.

-Fallas bifásicas y monofásicas: pueden
ocurrir frecuentemente.

-Fallas trifásicas, bifásicas y
monofásicas con arco: establecen la magnitud mínima
de la corriente en estos cortocircuitos.

Estas fallas se localizaron en cada tablero de
distribución del edificio exceptuando algunos tableros de
208 Voltios donde se observó, en base a cálculos
realizados en otros tableros con características de
alimentación similares , que los niveles de cortocircuito
eran muy pequeños en comparación con la capacidad
de interrupción de la protección instalada.
También se consideraron las fallas en los motores de
potencia mayor a 50 HP.

Para las fallas se consideraron dos condiciones
básicas de operación:

– Operación normal: El sistema se alimenta en su
totalidad a través de los interruptores "Pringle" de la
electricidad de Caracas. Los interruptores de
interconexión (52-T1, 52-T2 y 52-T3, son manuales)
permanecen abiertos.

– Operación de emergencia: Los generadores de
emergencia alimentan los tableros preferenciales por medio de la
transferencia automática.

Actualmente el sistema cuenta con una gran capacidad de
reserva (cerca del 50%) por lo que no se prevee una
expansión del sistema a mediano plazo. Por tanto los
niveles de cortocircuito no variaran en forma significativa
aunque cambie la capacidad de cortocircuito en el lado de alta
tensión de los transformadores de 2000 KVA, ya que la
corriente de cortocircuito depende en gran proporción de
las características (impedancia, capacidad de estos
transformadores).

Debido a que se quieren estudiar fallas
asimétricas, fue necesario buscar los valores de
impedancia de secuencia cero de cada elemento del sistema. Los
valores de las impedancias de secuencia negativa se asumieron
iguales a los de secuencia positiva. Se hicieron además
las siguientes consideraciones generales:

– Se despreciaron las contribuciones de las cargas
pasivas a la corriente de cortocircuito.

– Las tensiones de las máquinas rotativas y
fuentes de suministro se asumieron con un valor igual a la
tensión nominal del sistema. Se usaron las reactancias
subtransitorias de las máquinas.

– Se despreciaron las contribuciones de motores o
grupo de
motores de inducción con potencia menor a 50 HP,
considerando sólo los motores mas grandes que operan
normalmente en el edificio.

– Se despreciaron las impedancias de barras colectoras,
transformadores de corriente y conexiones.

Los valores de impedancia tomados para cada elemento del
sistema fueron los siguientes:

– Cables: fundamentalmente se usa un sólo
tipo de cable para la alimentación de tableros y motores
del edificio. Este es el cable de cobre con
aislamiento THW, en ductos magnéticos y en algunos casos
ductos no magnéticos. Se asumieron valores estandarizados
para la impedancia de secuencia positiva por unidad de longitud
(para cada calibre), a partir de la tabla 10 del IEEE Std
242-1986 [6] (ver anexo B). También se utilizó la
tabla 65 del IEEE Std 241-1990 [5] (en el anexo B) para los
cables de la Electricidad de Caracas a nivel de 12.47 kV. Estos
cables son del tipo PLT (polietileno) para 15 kV con
pantalla.

Los valores de impedancia de secuencia cero por unidad
de longitud se tomaron de la librería de cables de un
programa para
análisis transitorio (ETAP revisión 7.3 de
Operation Technology, Inc.) y se muestran en el anexo B. La
resistencia y reactancia están expresadas en ohmios por
cada 1000 pies. Estos valores son muy similares a los
considerados para el estudio de cortocircuito realizado por
Jantesa en el año 1979 [12] (anexo B).

– Motores: En el edificio sólo existen
motores de inducción y sólo se consideraron los
motores de potencia mayor a 50 HP y de operación normal, a
excepción de los motores de los chillers conectados a las
barras de aire
acondicionado "A" y "B" los cuales poseen arrancadores suaves
basados en tiristores (modelo Easy
Start de Westinghouse, anexo D) y por tanto no contribuyen a la
corriente de cortocircuito. Los motores considerados fueron los
de las salas de manejo de aire, las
bombas de agua
helada y condensado para el sistema de aire
acondicionado. También se ignoraron los motores de
50HP de los ascensores los cuales están siendo sustituidos
por un grupo
rectificador AC-DC y motores DC.

El valor de reactancia asumida para cada uno de estos
motores fue de X" =1,2*0,167 = 0,2 p.u. según las tablas
12 y 13 del estándar IEEE 399-1990 [7] (anexo B). La
relación X/R para estos motores dependen de la potencia
del mismo y se tomaron de la figura 154 del mismo estándar
(anexo B). No fue necesario saber el valor de la impedancia de
secuencia cero debido a que el neutro de los motores generalmente
no se conectan a tierra por tanto presenta una impedancia
infinita a tierra. La potencia asumida para realizar los cambios
de base se asumió igual a los HP del motor
(KVA=KW/fp*ef @ HP a fp=0,8).

–Alimentación de la Electricidad de
Caracas: Como se carecía de información
específica sobre el sistema eléctrico de la
Electricidad de Caracas más allá de la
subestación "Las Delicias" que suple al edificio, se
obtuvo la impedancia equivalente del sistema exterior a partir de
la relación X/R y la potencia de cortocircuito
trifásica y monofásica en la barra de
conexión a nivel de 12.47 kV.

– Generadores: Existen dos del tipo
sincrónico, 750 KVA, 480 V, 1800 RPM. La impedancia de
secuencia positiva y cero se obtuvieron a partir de la tabla A.4
del Stevenson [17] (Anexo B). El valor asumido para la impedancia
de secuencia cero fue la mitad del valor de secuencia
positiva.

– Transformadores: Sus impedancias de secuencia
se asumieron todas iguales al valor de secuencia positiva. Los
circuitos equivalentes de secuencia cero para transformadores se
tomaron de la figura 12.19 del Stevenson [17] (Anexo B). En su
mayoría, los transformadores eran del tipo seco,
trifásicos o conformados por bancos de tres
transformadores monofásicos a excepción de los
transformadores de alimentación del edificio (2000 KVA, en
aceite). Para estos transformadores se tomó el valor de
impedancia directamente en su placa y la relación X/R se
consiguió en la figura 153 del IEEE Std 399-1990 [7]
(anexo B). Las impedancias y relación X/R de
transformadores del tipo seco se tomaron de las tablas 64(c) y
64(d) del IEEE Std 241-1990 [5] mostradas en el anexo B, cuando
estas no se pudieron obtener directamente de la placa. En otros
casos, los valores se tomaron de la tabla "Características
eléctricas de los transformadores secos tipos EP y EPT"
del catálogo de Productos
Eléctricos Westinghouse S.A. (incluida en el anexo
B).

3.5.3. Desarrollo y
características del Programa para el
Cálculo de Corrientes de cortocircuito
(PCCC)

Se desarrolló un software para calcular las
corrientes de cortocircuito en la red eléctrica del
edificio, pero este se puede aplicar para simular un amplio rango
de sistemas eléctricos de potencia de distribución,
transmisión o industriales. El programa es
particularmente ventajoso para el cálculo de corrientes de
cortocircuito de sistemas de potencia de edificios comerciales ya
que minimiza el tiempo necesario para introducir los datos de la
red eléctrica al convertir automáticamente los
valores de las impedancias a una base común en por unidad
y solamente se debe especificar la información
mínima para modelar el sistema, además de otras
facilidades como una librería de impedancias por unidad de
longitud de cables usados en estos sistemas. El programa calcula
fallas trifásicas y monofásicas considerando la
contribución de motores, generadores y la red de
suministro eléctrico. Los sistemas introducidos se pueden
almacenar en archivos, lo que
permite hacerle modificaciones o expansiones a futuro.
Adicionalmente calcula la caída de tensión de
cables para aprovechar la información que se introdujo. En
el apéndice E están unas notas referentes al uso
del programa.

Para el desarrollo del programa se siguieron los
procedimientos
establecidos en los libros de
análisis de
sistemas de potencia y las últimas recomendaciones del
IEEE para estos estudios, incluyendo las consideraciones de la
sección anterior. También se revisaron manuales y
demostraciones de programas
existentes para el cálculo de corrientes de cortocircuito
(INTEGRA3, ETAP, etc.).

El programa se fundamenta en la modelación de los
diagramas de impedancia por medio de una matriz simétrica
(ZL) en donde cada elemento i,j de la matriz
representa la impedancia conectada entre las barras número
i y número j. A partir de esta matriz se forma las
matrices de
admitancia de barra (Ybarra) para cada
secuencia las cuales se invierten por el método de
Gauss-Jordan para matrices
complejas (se seleccionó
este método debido a su exactitud y sencillez) con la
finalidad de obtener la matrices de
impedancia de barras (Zbarra) y se hacen los
cálculos de corrientes de cortocircuito con las ecuaciones
mostradas en la sección 2.2.6.

El lenguaje
utilizado para desarrollar el programa fue el Quick Basic 4.5
para MS-DOS debido
a su sencillez para la programación y que cumplía con la
capacidad necesaria para la naturaleza de los
cálculos a realizar. La configuración mínima
requerida para correr el PCCC (Programa para el Cálculo de
Corrientes de Cortocircuito) es un PC-AT compatible (80286 o
superior) con 640 KB de memoria RAM,
unidad de disco y MS-DOS
versión 3.3 o superior. El programa fue corrido en un PC
Pentium-133 Mhz.
Tiene una capacidad para aproximadamente 130 barras y el doble de
elementos conectados entre las barras (el número
máximo de barras depende de la memoria
base disponible por el computador).

El contenido del programa se muestra en el
apéndice B (en texto –
lenguaje
Basic) y se incluye en el diskette que acompaña este tomo
(en el sobre). El programa está conformado por un archivo
ejecutable llamado PCCC.EXE y 4 archivos de datos
de cables con extensión .DAT . Adicionalmente el diskette
contiene el programa en el formato usado para la programación (PCCC.BAS) para ver, editar o
hacer cualquier modificación. Para usar el PCCC.BAS se
debe ejecutar éste desde el programa Quick Basic del
MS-DOS. El
Autor autoriza el uso del programa a cualquier persona. Nota: el
programa PCCC.EXE es el mismo PCCC.BAS y permite simular un mayor
número de barras (aproximadamente 130 barras. Nota: el
PCCC.BAS tiene capacidad para 70 barras aproximadamente) pero
carece de las funciones:
cálculo de caídas de tensión y tabla de las
impedancias de los cables (que si se pueden usar en el PCCC.BAS),
debido a limitaciones del compilador del Quick Basic.

El programa fue validado por diversos cálculos
hechos a mano y comprobados con la utilización del mismo.
En el apéndice B.1 se muestra el ejemplo 13.4 del
Stevenson [1] y la resolución pasos a paso utilizando el
programa, pudiéndose verificar su validez en este caso, al
comparar los valores de la corriente de falla.

Se tiene pensado realizar una nueva versión del
programa para calcular corrientes de cortocircuito
trifásicas, pero haciéndolo más amigable
(trabajando con la plataforma Windows).

3.5.3.1. Ecuaciones
utilizadas por el software para la modelación del sistema
eléctrico

– Cables:

Donde:

r , x = resistencia y reactancia de
secuencia positiva por unidad de longitud

ro , xo=
resistencia y reactancia de secuencia cero por unidad de
longitud

l = longitud

n = número de conductores por
fase

Diagramas de impedancias: las impedancias se conectan
entre las barras especificadas por el usuario.

– Motores:

La siguiente ecuación aproxima el valor de la
relación X/R por una recta, con valores basados en la
figura 154 del estándar IEEE 399-1990 [7] (anexo
B)

x / r = 10/3 + HP /30

Donde:

Vplaca = tensión de placa del
motor

Smotor = potencia aparente nominal del
motor

Diagramas de impedancias: las impedancias de secuencia
positiva se conectan entre la barras especificada por el usuario
y referencia. La impedancia equivalente de secuencia cero a
tierra es de magnitud infinita.

– Transformadores:

X = R (x / r)

Donde:

Vplaca = tensión de placa del
transformador

Zplaca = tensión de placa del
transformador en por ciento

Stransf = potencia aparente nominal
trifásica del transformador

En el caso de bancos de
transformadores monofásicos de tipo seco la siguiente
ecuación aproxima el valor de la relación X/R y la
impedancia en por ciento a través de una recta (en
función de la capacidad nominal), con base a los valores
establecidos en la tabla 64(d) del estándar IEEE 241-1990
[5] (anexo B)

x / r = 0,5568 + 8,642 10-6
(Stransf1Ø)

Zplaca = 2,9074 + 1,852
10-5 (Stransf1Ø)

Stransf1Ø = capacidad nominal
trifásica de cada transformador
monofásico

En el caso de transformadores trifásicos de tipo
seco la siguiente ecuación aproxima el valor de la
relación X/R y la impedancia en por ciento a través
de una recta (en función de la capacidad nominal), con
base a los valores establecidos en la tabla 64(c) del
estándar IEEE 241-1990 (anexo B)

x / r = 4,4567 + 2,887 10-6
(Stransf)

Zplaca = 0,3580 + 3,464
10-6 (Stransf)

Diagramas de impedancias: las impedancias de secuencia
positiva se conectan entre las barras especificadas por el
usuario. Las impedancias de secuencia cero se modelan
según el tipo de conexión usada:

– En la conexión delta – delta, delta – estrella
o estrella – estrella con alguno de los neutros de la estrella
sin aterramiento Z0equiv= ¥.

– En la conexión delta – estrella con
aterramiento Z0 se conecta entre el secundario del
transformador y tierra.

– En la conexión estrella – estrella con ambos
neutros puestos a tierra Z0 se conecta entre las dos
barras del transformador.

– Impedancias (W/Fase):

Donde:

R1, X1
= resistencia y reactancia de secuencia
positiva en ohmios.

R0, X0
= resistencia y reactancia de secuencia
cero en ohmios.

Diagramas de impedancias: las impedancias se conectan
entre las barras especificadas por el usuario.

– Sistemas exteriores:

Donde:

Scc3Ø = potencia de
cortocircuito para falla trifásica.

Scc1Ø = potencia de
cortocircuito para falla monofásica.

qcc3Ø = Atan(x/r para falla
trifásica) = ángulo de la potencia para falla
trifásica.

qcc1Ø = Atan(x/r para falla
monofásica) = ángulo de la potencia para falla
monofásica.

– Cálculo de la caída de
tensión:

Donde:

Z = Impedancia del cable (R+jX en
ohmios)

I = Corriente que pasa por el cable
(módulo en amperios y ángulo)

Vt = Tensión en el extremo de
alimentación (en voltios)

%DV = porcentaje de caída de
tensión.

– Cálculo de las corrientes de cortocircuito
para fallas trifásicas y
monofásicas:

x / r = Atan(q3ø)

x / r = Atan(q1ø)

Donde:

Icc1Ø = corriente de cortocircuito
simétrica para falla trifásica.

Icc3Ø = corriente de cortocircuito
simétrica para falla monofásica.

Z1, Z0 = impedancias equivalentes
de secuencia positiva y cero vistas desde el punto de falla.

El programa hace los cálculos para el primer medio
ciclo considerando la contribución de los motores, y
también calcula (si así lo desea el usuario) la
corriente de cortocircuito para el período de
interrupción de los dispositivos de protección
cuando ya ha desaparecido la contribución de los motores a
la falla.

3.5.3.3. Diagrama de flujo
del programa para el cálculo de cortocircuitos

A continuación se muestra un diagrama de flujo
del programa desarrollado para tener una idea del funcionamiento
del mismo.

Figura 6.

Diagrama de flujo del programa

Figura 6
(continuación).

Diagrama de flujo del programa

Figura 6
(continuación).

Diagrama de flujo del programa

Figura 6
(continuación).

Diagrama de flujo del programa

Figura 6
(continuación).

Diagrama de flujo del programa

Figura 6
(continuación).

Diagrama de flujo del programa

Figura 6
(continuación).

Diagrama de flujo del programa

3.5.4. Introducción de datos al software y
cálculo de las corrientes de cortocircuito

Una vez actualizado el diagrama unifilar y desarrollado
el software, se introdujeron los datos necesarios al programa
siguiendo los lineamientos y condiciones de operación de
la sección 3.3.2..

Primeramente se simuló el sistema incluyendo la
alimentación de la Electricidad de Caracas desde la
subestación Delicias 69 kV, los tableros principales del
edificio y los motores mas grandes. Los datos del sistema
eléctrico de la Electricidad de Caracas se tomaron de
planos entregados a Corpoven y los niveles de cortocircuito en la
subestación Delicias para noviembre de 1996 (anexo
B).

Luego, con los resultados de esta corrida (tabla 2), se
simuló los tableros principales que no contenían
grandes motores como sistemas exteriores, para crear subsistemas
que permitieran calcular los niveles de cortocircuito en
subtableros y transformadores aguas abajo. Esta
consideración se pudo hacer gracias a que la
contribución a la corriente de cortocircuito de los
motores instalados en el edificio es muy pequeña, y los
transformadores de 2000 KVA limitan el flujo de corrientes de
cortocircuito entre las barras principales de la
subestación.

Los sistemas simulados se almacenaron en archivos
generados por el mismo programa para cálculo de corrientes
de cortocircuito y se incluyen en el diskette, con los nombres
ACOMEDEC (acometida de la Electricidad de Caracas, tableros
principales y grandes motores), TGE (tablero general torre este),
TGO (tablero general torre oeste), TP1 (tablero preferencial#1 –
operación normal), G1(tablero preferencial#1 –
operación de emergencia), TP2 (tablero preferencial#2 –
operación normal), G2 (tablero preferencial#2 –
operación de emergencia), TSC (tablero de servicios
comunes), TPA (tablero plaza aérea) y TCC (tablero cocina
– comedor).

Los resultados de las simulaciones se resumen en las
tablas 2 a 11. Para hallar los valores de cortocircuito con arco
se usó la tabla 1. En la simulación
de la condición de operación de emergencia se
conectaron los generadores #1 y #2 a los tableros preferenciales
#1 y #2 respectivamente, modelando los generadores como
impedancias en por unidad conectada a tierra.

3.5.5. Verificación de las capacidades de
interrupción de los equipos de
protección

La verificación de las capacidades de
interrupción se realizó para cada falla en los
tableros, transformadores y motores del edificio definidos en las
tablas 2 a la 11, comparando la magnitud de la corriente de
cortocircuito más desfavorable con la capacidad de
interrupción simétrica del interruptor ubicado
aguas arriba a la falla, de una forma tabulada y sencilla. Esta
verificación se hizo porque si algún interruptor no
posee una capacidad de interrupción adecuada,
podría llegar a explotar y sus contactos se
dañarían al tratar de interrumpir corrientes (en
caso de cortocircuito) con magnitud mayor a la que éste
puede operar con seguridad.

En los casos en que este requisito no se cumple, se
analizaron y evaluaron dichas protecciones para evitar el
daño a equipos, mejorar la selectividad y seguridad del
sistema, disminuyendo así la frecuencia media de
interrupción en el edificio.

Adicionalmente se verificó si los transformadores
de distribución de 480/208V (tipo seco) cumplían
con un requisito establecido por la norma ANSI/IEEE
C57.12.01-1989 [9], el cual establece que la magnitud de la
máxima corriente de cortocircuito simétrica no debe
exceder 25 veces la corriente nominal del
transformador.

3.5.6. Revisión de los tiempos de
operación de los equipos de protección en caso de
fallas a tierra

Con fines de verificar el comportamiento
y la selectividad de las protecciones eléctricas del
edificio en caso de fallas a tierra, se hizo un análisis
de los tiempos de operación de los mismos en caso de
fallas a tierra monofásicas con contacto directo
(galvánicas) y de alta impedancia (con arco), motivado a
que sólo existe protección de falla a tierra en los
interruptores de salida de las barras principales y los tableros
preferenciales ubicados en las subestaciones del edificio. Por
tanto, se quería saber si una falla monofásica en
algún punto aguas abajo (tableros) ocasionaría un
disparo en alguno de estos interruptores, afectando gravemente la
selectividad del sistema y en vista que las fallas más
frecuentes en el sistema son las monofásicas.

Para llevar a cabo esta revisión, se tomó
como base las corrientes de cortocircuito monofásicas con
y sin arco en los distintos tableros del sistema eléctrico
calculadas con el uso del software. Luego, a partir de estos
valores, el tipo de interruptor instalado y sus curvas de tiempo
– corriente, se determinó el tiempo máximo de
operación de los mismos en caso de fallas
monofásicas y los resultados se tabularon en las tablas 12
a la 20.

3.5.7. Coordinación de
protecciones

3.5.7.1. Recolección de la descripción
y ajustes actuales de los equipos de
protección

La información recolectada sobre los equipos de
protección de la acometida, barras y tableros principales,
generadores y grandes motores fue la necesaria para la
elaboración del estudio de coordinación de
protecciones y se obtuvo en las placas de los equipos, planos,
folletos de los fabricantes y el Informe sobre
protecciones eléctricas del edificio realizado por Jantesa
[12].

Primeramente se buscaron todas las
características y ajustes de los dispositivos de
protección de La Electricidad de Caracas. Posteriormente
se buscó el fabricante y tipo de interruptores, así
como su rango de ajuste en cada una de sus funciones
(instantáneo, falla a tierra, tiempo de retardo largo,
tiempo de retardo corto, etc.), sus ajustes actuales y
características de los fusibles limitadores (si los
tiene). Por último se buscaron las curvas
características de tiempo – corriente de todos los
dispositivos a ser coordinados.

3.5.7.2. Gráficas de tiempo – corriente
actuales de los dispositivos de protección

En base a los datos recolectados en el punto anterior,
se realizaron las gráficas de tiempo – corriente de las
protecciones de sobrecorriente de fase y tierra desde la
acometida eléctrica hasta las barras y tableros
principales, generadores y grandes motores. Para el dibujo de las
gráficas se utilizó el programa de
coordinación de protecciones "COORD" y se hicieron en
papel
logarítmico especial para coordinación de
protecciones de 4½ por 5 ciclos. Las curvas
características de las protecciones contra fallas a tierra
se hicieron a mano, ya que este programa no tenía
capacidad para ello.

La validez del programa para coordinación de
protecciones "COORD" fue hecha por Hernández Mstislav en
su tesis
"Coordinación de protecciones del nuevo sistema
eléctrico de la refinería Puerto La Cruz mediante
la utilización del programa "COORD" " en el año
1992 y desde entonces es utilizado en la refinería Puerto
La Cruz de Corpoven para realizar estudios de coordinación
en baja y media tensión.

En el anexo E se describen las características de
este programa.

3.5.7.3. Coordinación de protecciones y
ajustes propuestos

En todos los circuitos se realizó la
coordinación desde los interruptores Pringle de La
Electricidad de Caracas hasta los circuitos y tableros
principales indicados, considerando los valores máximos y
mínimos de corriente de cortocircuito para fallas en
puntos clave de dichos circuitos. Esto se hizo porque es
allí en donde históricamente se ha perdido la
selectividad y en donde se tiene más influencia sobre la
frecuencia de interrupciones (se maneja mayor
potencia).

No se aplicaron criterios estrictos que se usan
generalmente para esta clase de estudios (tales como el margen de
seguridad en
tiempo entre los dispositivos), sino que se trató de
mejorar ésta en lo posible, trabajando con el rango de
ajustes de los mismos equipos. En algunos casos no se pudo lograr
una coordinación completa entre los distintos
dispositivos, debido a la características tiempo –
corriente de protecciones aguas abajo (breakers) o aguas arriba
(fusibles) y al rango de ajuste que poseen los mismos.

Para el dibujo de las
gráficas también se utilizó el programa de
coordinación de protecciones "COORD" y las curvas
características de la protección de falla a tierra
se hicieron a mano.

Para la coordinación de protecciones contra
fallas a tierra, se busco siempre una coordinación
completa, con los ajustes máximos en corriente que
permitían los equipos para evitar disparos poco selectivos
en caso de fallas monofásicas en tableros aguas abajo
(todos carecían de protección falla a
tierra).

Al proponer los nuevos ajustes de los interruptores
principales de los tableros principales se verificó que
tuviesen buena coordinación con las protecciones de las
salidas a los circuitos ramales de los tableros de
distribución en 480V y 208 V.

Se asumió que el valor de corriente de
cortocircuito momentáneo (para el primer ciclo) y para el
instante en que actúan los dispositivos de
protección (después de 5 ciclos) eran iguales. Esta
consideración se hizo porque la contribución
más significativa a la corriente de cortocircuito viene
del sistema eléctrico de la Electricidad de Caracas (ver
primera gráfica de la figura 5), tal como se pudo
comprobar con corridas del Programa para el Cálculo de
Corrientes de Cortocircuito.

3.5.8. Medición de corrientes armónicas
en los tableros principales del edificio

Estas mediciones se hicieron para verificar la posible
influencia de las corrientes armónicas sobre los
relés de protección que actúan sobre los
interruptores de potencia de las subestaciones, ya que de ser
así se podría verse afectada la selectividad del
sistema. Se realizó la medición en los
alimentadores de los tableros principales porque estos dependen
directamente de los interruptores de salida tipo DSL.

El equipo usado para las mediciones fue un analizador de
armónicos modelo 41, marca Fluke. Este
equipo está diseñado para la medición de
tensión, corriente y potencia monofásicas,
considerando la contribución de armónicas hasta del
orden 31. Gráfica un ciclo de cada una de estas
señales y proporciona datos tales como: valores rms y pico
de corriente, tensión y potencia; factor de
distorsión armónica presentes en la tensión
y corriente, factor de potencia; magnitud y defasaje de cada
componente armónica, entre otros. Adicionalmente posee una
interfaz para comunicación con computadores personales
que permite manipular los datos de la medición.

Se hicieron mediciones solamente de la corriente por las
fases motivado a que el estudio se enfocó a la influencia
de las armónicas sobre las protecciones de sobrecorriente,
y también porque el equipo no estaba calibrado para medir
tensión.

Las mediciones se hicieron a las horas pico de un
día de semana (10:00am ó 2:30pm) y en las tres
fases, pero para los análisis se consideró
sólo la lectura de
una de ellas (que siempre tenía un valor similar al de las
otras dos). En algunos casos, cuando los alimentadores
tenían varios conductores por fase, se midió uno
solo de estos conductores debido a las limitaciones del equipo,
pero se verificó que los otros conductores tuviesen
valores de corriente iguales. La corriente total en estos casos
se obtuvo multiplicando la corriente de cada uno de estos
conductores por el número de conductores por
fase.

Los resultados de estas mediciones se muestran en el
capítulo 4 (tabla 43, valores de THD). Las formas de onda
de corriente y magnitud de cada armónico se muestran en el
apéndice D. En alguna de estas gráficas la escala de
corriente está dividida por un entero "n" que representa
el número de conductores por fase, y si se quiere saber la
corriente total se debe multiplicar la lectura
mostrada por "n". También se hicieron mediciones de
corriente en un subtablero de iluminación de las torres,
en un computador
personal, y en el primario y secundario de un transformador de
distribución 480/208V que alimenta tomacorrientes en
algunos de los pisos. Estos resultados se pueden ver en el
apéndice D.1.

CAPÍTULO IV

SISTEMA ACTUAL

4.1. Descripción del sistema
eléctrico

La Electricidad de Caracas es la compañía
responsable de suplir energía eléctrica al edificio
Petróleos de Venezuela S.A. Este suministro se realiza a
baja tensión, a un nivel de 480 voltios y es distribuida
en forma radial a través de toda la edificación por
medio de tableros con el propósito de alimentar diversas
máquinas eléctricas (aire
acondicionado, compresores de
aire y gas, etc.),
áreas de oficinas y servicios. Existen transformadores
trifásicos y monofásicos para la reducción
de la tensión a 208 V para alimentar tomacorrientes y
otros equipos.

Figura 7.

Diagrama unifilar de la acometida y
tableros principales

La alimentación primaria recibida de La
Electricidad de Caracas, se distribuye a partir de dos
subestaciones principales: "Subestación #1" y
"Subestación #2" que se encuentran en el primer
sótano. La Subestación #1 alimenta tres barras de
3200A / 480V (Barras "A", "B" y "C") y la Subestación #2
alimenta dos barras de 3200A / 480V (Barras "D" y "E"). Ver el
apéndice A. Para cada barra existe un interruptor
principal y dos o más interruptores en sus salidas. El
sistema es en su mayoría radial, pero existen
interruptores de transferencia manuales para la
interconexión de las barras de una misma
subestación en caso de emergencia. Anteriormente
sólo existía la subestación #1 que
alimentaba todos los tableros desde sus tres barras, pero en el
año 1992 se construyó la subestación #2 la
cual liberó notablemente de la gran carga a la cual la
subestación #1 se veía sometida debido al
sustancial aumento de la demanda del
sistema. Las subestaciones #1 y #2 alimentan los once siguientes
tableros principales (ver figura 7, anexo A.1. y el
diagrama unifilar):

Subestación #1:

-Tableros de aire acondicionado barra "A" y barra
"B".

Alimenta compresores para
el sistema de enfriamiento de agua (chillers), bombas de agua
helada y condensada, ventiladores de la torre de enfriamiento,
planta de tratamiento de agua, circuitos de control de
aire.

-Tablero de servicios comunes

Alimenta a mezzanina, clínica, sala de rayos X,
auditorio, sala de reproducción, subtableros de
A/A.

-Tableros preferencial #1 y tablero preferencial
#2

Alimentan ascensores, bombas de aguas
blancas y negras, salas de computación y equipos de aire
acondicionado, central telefónica y de radio,
iluminación de emergencia, tomas preferenciales menores,
sistemas de señalización, alarmas, extinción
de incendios,
tableros de servicios auxiliares, taller, etc.

-Tablero plaza aérea

Alimenta circuitos de iluminación y
tomacorrientes en la plaza pública y
sótanos.

Subestación #2:

-Tablero general torre oeste y tablero general torre
este

Alimentan circuitos de iluminación y
tomacorrientes de uso general, en sótanos y pisos de las
torres este y oeste (nota: las oficinas de Corpoven están
en los pisos de la torre oeste y en la torre este están
las oficinas de PDVSA).

-Tablero cocina-comedor

Alimenta la cocina y comedor del edificio y una sala de
compresores.

-Tablero Sala de Manejo de Aire (SMA) torre este y
tablero SMA torre oeste

Proporcionan energía eléctrica a todos los
motores de las distintas salas de manejo de aire (9 salas, 5
para la torre este y 4 para la torre este).

En total existen más de 250 tableros distribuidos
en toda la extensión del edificio. En el anexo A.1. se
muestra un diagrama en el que se representa
esquemáticamente la distribución de los tableros
dentro del sistema eléctrico.

Cada tablero principal puede tener hasta 30 circuitos
ramales de salida que alimentan a subtableros y transformadores
de distribución o motores.

Los dos tableros preferenciales son independientes del
tablero principal y se encargan de alimentar cargas
críticas del edificio (tableros preferenciales) en caso de
que se produzca una falla en el suministro de La Electricidad de
Caracas, mediante el acoplamiento de dos plantas de
emergencia de 750 kVA (generador #1 y generador #2) cada una por
medio de un interruptor de transferencia automática con
acoplamiento electromecánico. El acoplamiento
electromecánico impide que se alimente al mismo tiempo
cada tablero desde la acometida de La Electricidad de Caracas y
desde las plantas de
emergencia.

Para la alimentación del edificio, La
Electricidad de Caracas dispone de tres circuitos en 12.47 kV que
vienen de la subestación Las Delicias (la cual transforma
de 69 a 12.47 kV por medio de tres transformadores de 28 MVA
c/u), los cuales alimentan a cinco transformadores de 2000 kVA
cada uno, con conexión estrella aterrada – estrella
aterrada, que alimentan a las subestaciones #1 y #2 a 480 V. A la
salida de baja tensión de los transformadores se encuentra
un protector de red y un fusible limitador de 200 kA y un
alimentador de 10 conductores por fase de 500 MCM, que realizan
la conexión a una barra de baja tensión.

De la barra en baja tensión de La Electricidad de
Caracas salen cinco interruptores de potencia con fusibles
(Marca Pringle)
que realizan la conexión a la barras de 480 V mediante una
acometida de 10 conductores por fase de 500 MCM en las
subestaciones de Corpoven. Ver los diagramas de la acometida en
el anexo A para una mejor visualización.

El sistema de protección del edificio está
basado en interruptores termomagnéticos (breakers)
ubicados en los tableros principales y subtableros para
resguardar motores, transformadores, iluminación,
tomacorrientes y otros equipos. A nivel de los alimentadores
principales de la subestación, se utilizan relés de
sobrecorriente de tiempo inverso para la protección de
fase y protección de sobrecorriente para fallas a tierra
que accionan los interruptores de potencia Westinghouse Tipo DSL.
Los cuales además contienen fusibles limitadores. Es
importante señalar que sólo existe
protección contra fallas a tierra en los interruptores
principales de las barras de las subestaciones y en los tableros
preferenciales #1 y #2. Aguas abajo de estos puntos no existe
ningún tipo de protección contra fallas a tierra, a
excepción de algunos equipos que tienen esta
protección internamente.

4.2. Niveles de cortocircuito en el sistema
eléctrico del edificio y verificación de las
capacidades de interrupción de los equipos de
protección

En las tablas siguientes se muestran los resultados de
la simulación
de corrientes de cortocircuito en el sistema eléctrico del
edificio y se comparan con las capacidades de interrupción
de los dispositivos de protección asociados a cada barra.
La indicación de " * OJO " que aparece en la parte derecha
de las tablas indica que la corriente de cortocircuito
máxima en la barra señalada supera la capacidad de
interrupción del dispositivo de protección asociado
a dicha barra. Todos los dispositivos de protección
mostrados son tripolares, con una tensión nominal de 480V
o superior y marca
Westinghouse, a menos que se especifique lo contrario.

Es muy importante señalar que en los tableros de
baja tensión (208V) no resultaron corrientes de
cortocircuito mayores a los 10 kA, la cual es la menor capacidad
de interrupción de interruptores de caja moldeada para
este nivel de tensión, por lo que en este aspecto el
sistema se encuentra bien protegido a nivel de 208V.

No se verificó la capacidad de
interrupción en todos los interruptores de salida a cada
circuito ramal de cada tablero de distribución a nivel de
480V del edificio, por ser esto repetitivo y carecer esta
información en las planillas de carga de los tableros, sin
embargo, la capacidad mínima de interrupción de
breakers a este nivel de tensión es 14 kA (breaker tipo
EHB). En consecuencia, se señalaron los tableros en los
que se superan los 14 kA de cortocircuito, con las siglas VCR en
la parte derecha de las tablas, con la finalidad de que se
realice esta verificación posteriormente.

En la mayoría de los bancos de
transformadores de distribución del edificio (son del tipo
seco) se determinó que no cumplían con los
requisitos de máxima corriente de cortocircuito
simétrica según el IEEE C57.12.01-1989 [9] (25
veces la corriente nominal), ya que generalmente la máxima
corriente de cortocircuito en su lado de baja tensión
superaba 30 veces la corriente nominal, exceptuando los
transformadores que se encontraban lejos de la subestación
(azotea) y los transformadores trifásicos (debido a su
impedancia elevada -5%- en comparación con la de los
bancos de
transformadores monofásicos -2%-).

La nomenclatura
usada en las siguientes tablas es la siguiente:

X/R = Relación reactancia inductiva /
resistencia de cortocircuito.

V = Tensión nominal de línea.

Icc3ø = Corriente de cortocircuito
simétrica para falla trifásica.

Ia3ø = Corriente de cortocircuito
simétrica mínima para falla trifásica con
arco.

Icc2ø = Corriente de cortocircuito
simétrica para falla bifásica.

Ia2ø = Corriente de cortocircuito
simétrica mínima para falla bifásica con
arco.

Icc1ø = Corriente de cortocircuito
simétrica para falla monofásica.

Ia1ø = Corriente de cortocircuito
simétrica mínima para falla monofásica con
arco.

Cap. int. = Capacidad de interrupción
simétrica del dispositivo de protección
asociado a la barra.

Iprot.nom = Corriente nominal del dispositivo de
protección asociado a la barra.

* OJO = Corriente de cortocircuito máxima
superior a la capacidad de interrupción del
dispositivo de protección asociado a la barra.

VCR = Verificar las capacidades de interrupción
en breakers de salida a

Circuitos Ramales del tablero.

N/A = No se Aplica.

Tabla 2.

Niveles de cortocircuito en la acometida
eléctrica, tableros principales y grandes
motores

En este caso se puede observar que para cualquier tipo
de falla, se supera con un amplio margen las capacidades
máximas de interrupción los interruptores de los
chillers (tipo MC de 800A) y el interruptor de transferencia
automática de alimentación a las bombas de agua
helada y bombas de agua condensada.

Tabla 3.

Niveles de cortocircuito en el tablero
general torre este

Tabla 3.

Niveles de cortocircuito en el tablero
general torre este (continuación)

En el tablero general torre se ve afectado el
interruptor principal del tablero T-63 servicios generales en
semisótano (breaker tipo EHB de 100A) si ocurre una falla
trifásica o bifásica galvánica.

Tabla 4.

Niveles de cortocircuito en el tablero
general torre oeste

Tabla 4.

Niveles de cortocircuito en el tablero
general torre oeste (continuación)

El interruptor principal del tablero T-179 (tipo EHB de
100A) posee una capacidad de interrupción menor a los
niveles de cortocircuito en caso de una falla
trifásica.

Tabla 5.

Niveles de cortocircuito en el tablero
preferencial #1 – operación normal