1. Descripció i causes dels curt circuits
Per dimensionar i
seleccionar aparells, components i instal.lacions elèctriques ha de tenir-se en
compte, d'acord amb les determinacions VDE, no tan sols les càrregues
permanents degudes al corrent i a la tensió de servei, sino també les
sobrecàrregues causades pels curtcircuits. Els corrents de curtcircuit son en
general varies vegades majors que les nominals. Per això provoquen
sobrecàrregues dinàmiques i tèrmiques elevades. Els corrents de curtcircuit que
circulen per terra poden ser també la causa de tensions de contacte i
d'interferències inadmisibles. Els curtcircuits poden provocar la destrucció d'aparells
i components o causar danys a persones, si al projectar no es té cura dels
corrents màxims de curtcircuit que es poden presentar en la instal.lació. També
s'han de determinar els corrents mínims de curtcircuit, donç son importants per
dimensionar i seleccionar els dispositius de protecció de la instal.lació.
El curtcircuit en una
instal.lació elèctrica es defineix com un defecte provocat per un contacte
entre un conductor actiu i terra, o qualsevol part metàl.lica unida amb ella o
bé entre dos conductors actius. Normalment aquest contacte es produeix per
mitjà d'un arc, almenys en les instal.lacions d'alta tensió.
b)Origen mecànic.
Els curtcircuits d'origen mecànic es poden produir per la rotura d'un o més
conductors o aïlladors, la caiguda d'un cos extrany a la instal.lació sobre els
conductors o parts metàl.liques en tensió , o la destrucció de canalitzacions
com a conseqüència de moviments de terres per mitjans mecànics.
c)Origen atmosfèric.
La caiguda d'un llamp sobre els conductors d'una linia i altres fenómens
atmosfèrics que alteran les característiques elèctriques i/o mecàniques d'una
linia (tempestes, boira, gel, etc) son causes d'origen atmosfèric que poden
ocasionar curtcircuits.
d)Origen humà.
Aquests curtcircuits son deguts a falses maniobres realitzades per personal
humà. Com poden ser l'apertura en càrrega d'un seccionador o l'accionament d'un
seccionador de posta a terra en presència de tensió.
2. Efectes dels curt circuits
Un curt circuit en
una xarxa provoca sobreintensitats, caigudes de tensió i desequilibris en les
tensions i corrents de les tres fases. Aquests fenómens originan una serie de
conseqüències que analitzarem a continuació:
a)Escalfaments deguts
als corrents de curt circuit. Els escalfaments produits pels
corrents de curt circuit son especialment perjudicials en els cables soterrànis
de mitja tensió degut a que no disposen d'una tolerància calorífica elevada.
b)Averies produides
pels arcs. Els arcs produeixen, molt sovint, desperfectes
importants.. Els que envolten les cadenes d'aïlladors poden provocar la
destrucció dels mateixos, per això s'acostuma a
proveir aquestes cadenes amb anells de protecció que separan l'arc dels
aïlladors. Els arcs originats com a conseqüència de la perforació d'un cable
soterràni, poden produir la fusió del coure i del plom del cable sobre
longituds de varis decimetres, si el defecte no s'elimina ràpidament.
c)Accidents de
disjuntors. Els disjuntors i fusibles deuen tenir una
capacitat de ruptura adequada per que durant un curt circuit poguin funcionar i
complir la seva misió sense sofrir una averia ni representar perill pel
personal i l'equip elèctric. A més de la suficient capacitat de ruptura, per
eliminar l'averia amb rapidesa i seguretat, el disjuntor o fusible ha de tenir
també una capacitat instantània suficient per resistir els efectes dels valors
màxims dels corrents de curt circuit. Per tant, per escollir adequadament un
disjuntor es necesari calcular tant el valor del corrent de curt circuit en el
moment en que es produeix la interrupció del circuit, com el valor màxim
d'aquest corrent en els moments inicials.
d)Esforços
electrodinàmics anormals. El pas dels corrents molt
intensos va acompanyat d'esforços electrodinàmics molt importants que poden
produir deformacions de barres i de connexions, trencaments d'aïlladors de
soport i, a vegades, averies considerables sobre els devanats de les bobines de
reactància i dels transformadors, si aquests no tenen la rigidesa mecànica
suficient.
e)Caigudes de tensió
elevades. Quan els corrents de curt circuit travesan els
diferents elements de les xarxes, provocan caigudes de tensió que poden produir
la desconnexió de les màquines sincrones o asincrones i posar en perill
l'estabilitat de les xarxes.
3. Efectes dels corrents de curt circuit
De l'estudi dels
corrents de curt circuit, es diferencien tres periodes que es defineixen com
subtransitori, transitori i permanent.
a)Periode
Subtransitori. Durant el periode subtransitori, que dura
aproximadament entre 1 i 10 periodes, el corrent de curt circuit de xoc baixa
ràpidament de valor. Si la tensió pasa pel valor màxim, el corrent de curt
circuit durant aquest periode inicial es simètrica, es a dir, son iguals les
semiones positiva i negativa. Es tractarà, per tant, d'un corrent simètric de
curt circuit que, per establir-se durant aquest periode reb també el nom de
corrent subtransitòria de curt circuit. Si la tensió pasa pel valor nul, el
corrent durant aquest periode ja no es simètrica. Es en aquest periode quan es
produeixen els esforços electrodinàmics en màquines i aparells.
b)Periode Transitori.
En el periode transitori, el corrent de curt circuit
va disminuint lentament de valor fins el valor del corrent permanent de curt
circuit. Aquest periode dura de 50 a 100 periodes, es a dir, de 1 a 2 segons si
es tracta de corrent industrial a 50 Hz. Tant si la iniciació del curt circuit
s'ha produit quan la tensió pasa pel valor màxim o pel valor nul, el corrent
transitori de curt circuit es simètric. Durant aquest peiode es produeixen les
actuacions dels disjuntors automàtics i els esforços tèrmics en màquines i
aparells.
c)Periode Permanent.
El corrent de curt circuit arriba al seu valor permanent que continuarà sense
variació mentre duri la causa que ha provocat el defecte. En aquest periode
continuan els esforços tèrmics en màquines i aparells.
4. Clasificació dels curt circuits
La implicació dels
diferents conductors del sistema elèctric en el defecte de curtcircuit,
determina el procediment de càlcul de les intensitats que circularan en els
diferents instants del curtcircuit. En els sistemes trifàsics ens podem trobar
amb els següents tipus de curtcircuit:
a)Curtcircuit
Tripolar o simètric. Es produeix un contacte
simultàni entre les tres fases del sistema. Les tres tensions corresponents al
punt de curtcircuit son nules i les tres fases presenten càrregues simètriques
degudes als corrents simètrics de curtcircuit desfasades 120º, independenment
de la conexió a terra del punt de curtcircuit. Per això el càlcul dels corrents
de curtcircuit es realitza únicament per una fase, com si es tractés d'una
càrrega simètrica. La freqüència relativa d'aquest tipus de curt circuit es inferior al 5% dels
que es produeixen en la majoria dels sistemes elèctrics, segons les
estadístiques de les empreses de producció i distribució d'energia elèctrica.
La resta de tipus de
curtcircuit son asimètrics i necesiten càlculs més complexes, sobre tot si s'ha
de considerar també els contactes a terra. En aquests curtcircuits, les
tensions corresponents al punt de curtcircuit no son totes nules. Per causa de
les condicions d'asimetria s'estableixen acoplaments entre les fases o entre
aquestes i el neutre, en el cas que existeixi.
b)Curtcircuit bipolar
sense contacte a terra. Els corrents de curtcircuit inicials
simètriques son menors que les del curtcircuit simètric tripolar. Però, si el
punt de curtcircuit està en les proximitats de màquines sincrones i/o
asincrones d'una certa potència, el corrent de curtcircuit pot ser major que el
corresponent a un curtcircuit tripolar. Aquest tipus de curt circuit es
produeix amb una freqüència relativa entre el 5% i el 10%.
c)Curtcircuit bipolar
amb contacte a terra. Es produeixen els mateixos
efectes que en el curtcircuit anterior, si bé, la freqüència relativa es situa
entre el 10% i el 15%.
d)Curtcircuit
unipolar a terra. Son els curtcircuits mès freqüents. En les
xarxes amb posta a terra rígida o a través d'una impedància de baix valor
óhmic, el corrent de curtcircuit a terra pot superar a la major corrent de
curtcircuit que apareix en un curtcircuit tripolar. Aquest tipus de curt
circuit, es el que es produeix amb una freqüència relativa més elevada, que
oscila entre el 70% i el 80% dels casos de curt circuit.
e)Doble contacte a
terra. Es presentan en les xarxes amb neutre aïllat o en
aquelles amb posta a terra compensant. El corrent de curtcircuit degut a un
doble contacte a terra no pot ser mayor que el corresponent a un curtcircuit
bipolar amb o sense contacte a terra.
Els corrents de
curtcircuit corresponents als casos de curtcircuit unipolar a terra o doble
contacte a terra han de tenir-se en compte per determinar les tensions de pas i
contacte, per resoldre problemes d'interferències y per dimensionar les
instal.lacions de posta a terra.
5. Determinació dels corrents de curt circuit
Els curt circuits
provoquen en les xarxes elèctriques modificacions dels paràmetres de servei. El
pas al nou estat va acompanyat de fenòmens electromagnètics i electromecànics
transitori, dels que depenen la magnitud i les variacions temporals del corrent
de curt circuit.
Els fenòmens
transitoris estan influits, a més de pel tipus de curt circuit, per l'instant
en que es produeix el curt circuit, per les fonts de corrent de curt circuit
implicades, l'estat previ de la càrrega, el punt de curt circuit, la durada del
curt circuit i la forma de la xarxa, així com per les dades característiques i
el comportament dels aparells i components implicats.
L'instant en que es
produeix el curt circuit, considerat respecte a la variació temporal de la
tensió, influeix de forma determinant en el valor màxim de punta del corrent de
curt circuit, que es important per dimensionar els aparells i els components.
Les fonts de corrent
de curt circuit principals son els diferents tipus de màquines sincrones. Els
generadors asincrons, així com els motors sincrons i asincrons i els
accionaments alimentats per convertidors estàtics que operan en régim
d'ondulador, constitueixen també fonts de corrent de curt circuit. També es
considera com a font de corrent de curt circuit la potència de curt circuit
corresponent a una xarxa superior o alimentació externa, per exemple, en el cas
de xarxes regionals de suministre d'energia elèctrica o de xarxes industrials.
L'estat previ de
càrrega d'una xarxa determina el número i potència dels generadors i les
càrregues operant en paral.lel i el valor de les forçes electromotrius de les
fonts de corrent de curt circuit.
La situació del punt
de curt circuit en la xarxa decideix si les màquines sincrones influiran més o
menys sobre el desenvolupament del curt circuit, es a dir, si el curt circuit
ha de clasificar-se com a próxim al generador o com a allunyat del
generador, en el sentit de la determinació VDE. La situació del punt de
curt circuit es també decisiva per establir l'alcanç de la perturbació en el
servei de la xarxa.
La durada del curt
circuit depen sobre tot dels dispositius de protecció i dels aparells de tall
utilitzats en la xarxa. En cas de reconexió ràpida, el temps sense pas de
corrent i la seqïència de maniobres influencien també els fenómens transitoris.
La forma de la xarxa
prescriu els camins del corrent de curt circuit i dels corresponents corrents
parcials. La impedància de curt circuit de la xarxa depen del tipus d'aparells
i components de transport i de l'extensió de la xarxa.
6. Components simètriques d'un sistema trifàsic desequilibrat
Un sistema trifàsic
desequilibrat o asimètric es aquell en que les diferents magnituds
d'intensitat, tensió, etc, corresponents a cada fase tenen diferent valor per
cada una d'elles. Per l'anàlisi d'aquests sistemes podem utilitzar el métode
de les components simètriques desenvolupat per Stokvis i aplicat al
càlcul dels sistemes elèctrics per Fortescue. Aquest mètode consisteix
en descomposar un sistema asimètric en els nomenats sistemes simètrics. Aquest
sistemes es clasifiquen en tres tipus: Sistema directe, sistema invers i
sistema homopolar.
6.1. Sistemes directes o de seqüència positiva
Un sistema giratori
té seqüència positiva o directa quan l'ordre de succesió de les fases correspon
al sentit horari. Els sistemes de seqüència directa o positiva els designarem
amb el subíndex 1.
6.2. Sistemes inversos o de seqüència negativa
Son aquells que
presenten un ordre de succesió de fases corresponent al sentit antihorari. Els
representarem amb el subíndex 2.
6.3.Sistemes homopolars o de seqüència nula
En aquest sistema els
vectors corresponents a les tres fases tenen la mateixa direcció i sentit en
tot moment. El subíndex característic d'aquest sistema és el 0.
7. Teorema de Stokvis
Un sistema trifàsic
asimètric, pot descomposar-se en tres sistemes simètrics: un d'ordre directe,
un altre de seqüència inversa i el tercer homopolar.
Segons aquesta
definició del podem representar el sistema de vectors d'un sistema trifàsic
asimètric com segueix:
VR = VR1 + VR2 + VR0
VS = VS1
+ VS2 + VS0
VT = VT1
+ VT2 + VT0
Per l'estudi de les
magnituds vectorials utilitzarem l'operador "a" o d'avanç
trifàsic que es defineix com un vector de módul unitari i argument de 120º
o 2π/3 que
d'acord amb la definició té les següents propietats:
a3n = 1
a3n+1
= a
a3n+2
= a2
a3n
+ a3m+1 + a3p+2 =
0
n,m
i p enters
Amb aquest operador
podem escriure el sistema de vectors anterior en funció dels seus components
fonamentals:
VR = V1 + V2
+ V0 (1)
VS = a2 V1
+ a V2
+ V0
VT = a V1 + a2 V2
+ V0
Amb la resolució
d'aquest sistema d'eqüacions obtenim les expresions per determinar el valor de
les components directa, inversa i homopolar del sistema asimètric considerat:
3
V0= VR + VS
+ VT
3
V1= VR + a VS + a2 VT
3
V2= VR + a2 VS + a VT
7.1. Propietats de les components simètriques
De l'estudi dels
vectors d'intensitat, tensió i potència dels sistemes trifàsics asimètrics,
segons el Teorema de Stokvis, es dedueixen les següents propietats per les
components simètriques d'aquestes magnituds:
a)La
potència complexe d'un sistema trifàsic asimètric es igual a la suma de les
potències complexes dels components simètrics.
b)En
un sistema trifàsic desequilibrat, cada sistema component origina les seves
propies potències, sense que hi hagin interferències entre tensions i corrents
de diferent nom.
c)El
corrent de retorn pel neutre es igual a tres vegades la component homopolar del
sistema de corrents de la linia. En conseqüència, quan un sistema trifàsic no
té neutre, el sistema de corrents no té sistema homopolar.
d)El
conjunt de vectors compostos forma un sistema sense components homopolars, i
per tant, un sistema desequilibrat, sense neutre, pot estudiar-se considerant
únicament un sistema directe i un altre invers.
e)Les
components directa i inversa dels vectors compostos, son, respectivament, els
vectors conpostos de les components directa i inversa del sistema de vectors
simples en estel.
f)Tot
sistema d'impedàncies en estel, conectades sobre el triangle de tensions
compostes, motiva tensions simples de components directa i inversa independents
de les característiques de les impedàncies.
8. Impedàncies directa, inversa i homopolar
Les impedàncies
relacionades a cada un dels sistemes components, es designen de la mateixa
forma que aquests, amb els nom d'impedància directa, impedància
inversa i impedància homopolar. Els subíndexs característics de cada
una d'elles, correspon a l'utilitzat per definir les components simètriques en
l'apartat 1.
8.1. Impedància directa
La impedància directa
d'un aparell o d'un component elèctric es el cocient de la tensió entre fase i
neutre i del corrent de fase en el cas d'alimentació amb un sistema simètric
directe.
Correspon a la
impedància de servei de les linies, a la impedància de curtcircuit dels
transformadors i de les bobines i a la impedància que apareix en els generadors
en l'instant en que es produeix el curtcircuit.
8.2. Impedància inversa
Es defineix com el
com la impedància directa, però, considerant l'alimentació per un sistema
simètric de seqüència inversa.
En linies,
transformadors, i bobines coincideix amb la impedància directa, ja que la
impedància d'aquests aparells o components no varia al invertir la seqüència de
les fases. En canvi, en el cas dels generadors, la impedància inversa es la que
apareix quan s'els sotmet a un sistema invers de tensions mentre funcionan en
marxa sincrona. Aquest sistema té en l'estator una velocitat relativa doble amb
respecte al rotor, mentre que el sistema directe presenta una velocitat
relativa nula respecte del rotor.
En els
turbogeneradors, la impedància inversa coincideix pràcticament amb la
impedància directa que apareix en l'instant en que es produeix el curtcircuit
(reactància inicial). En els generadors de pols sortints, amb o sense devanat
amortidor es major que la reactància inicial. En les màquines asincrones es
pràcticament igual a la reactància de curtcircuit (reactància corresponent a la
velocitat 0).
8.3. Impedància homopolar
La obtenim del
cocient de la tensió entre fase i neutre i del corrent de fase en el cas que
l'alimentació sigui una font de tensió monofàsica, si els tres conductors
principals disposats en paral.lel constitueixen el camí d'anada del corrent i
existeix un quart conductor que actúa com retorn comú. Per aquest conductor
comú (sistema de posta a terra, conductor neutre, fil de terra, coberta o
armadura del cable) circula un corrent tres vegades major que l'homopolar.
La impedància
homopolar d'un aparell o component es refereix sempre a la conexió en estel, a
les conexions en triangle no es pot asignar impedàncies homopolars.
En un generador es
generalment molt menor que la reactància inicial. En els transformadors depen
del grup de conexió. Els transformadors en conexió "Dy" tenen una
impedància homopolar igual o menor que la impedància directa. En canvi, si la
conexió es "Yz", la impedància homopolar corresponent al devanat en
"z" es relativament petita. Si la conexió es "Ydy" depen de
les característiques i de la disposició del devanat estabilitzador. Per les
conexions "Yy" la impedància homopolar depen del corrent i es varies
vegades major que la impedància directa. En els transformadors cuirasats i en
els bancs de tres transformadors monofàsics conectats en "Yy", la
impedància homopolar es, degut al retorn lliure del fluxe magnètic,
aproximadament de l'ordre de la impedància en buit. Per això aquests
transformadors no son adeqüats per la posta a terra de sistemes.
En les linies es
funció del tipus (linies aèries o cables), de l'estructura (fils de terra o
cobertes metàliques i blindatges) i de les característiques del retorn per
terra, que depen de la conductivitat del terreny i dels conductors de
compensació que poguin existir adicionalment. Una línia aèria oposa al pas dels
tres corrents d'igual módul i igual angle de fase del sistema homopolar una
impedància que correspon a la del circuit format pels tres conductors de la
linia i pel retorn per terra; en el cas d'un cable es tracta del circuit format
pels tres conductors i el retorn corresponent.
La impedància
homopolar de les linies aèries es varies vegades major que la impedància
directa i depen de la secció dels conductors i de la disposició del mateixos.
En una linia sense fil de terra, la resistència efectiva corresponent al
sistema homopolar inclou, a més de la dels conductors de la linia, la del retorn
per terra. En el cas d'una linia amb fil de terra, ha d'incloure's també la
resistència efectiva d'aquest fil, ja que una part del corrent homopolar
retorna per ell.
Si els fils
de terra son d'acer, la reducció de la impedància homopolar es poc important,
en canvi, si son d'un material bon conductor, com l'acer-alumini o el coure,
s'observa una reducció considerable.
En els cables la
impedància homopolar varía en relació amb la impedància directa, en major
mesura que en les línies aèries, degut a la influència dels retorns. Els cables
en feix tenen una impedància homopolar major que els cables amb tres cobertes
de plom, que a la vegada presenten una impedància homopolar major que els
cables d'un sol conductor. La resistència efectiva d'un cable pel sistema
homopolar inclou, a més de la dels conductors, la corresponent al retorn.
Aquest retorn multiplica la resistència efectiva per un factor que depen de
l'envoltura de plom, del blindatge i del conductor neutre, així com de la
cuirasa eventual i de les característiques del traçat. L'única forma d'obtenir
valors exactes de la impedància homopolar es realitzant mesures una vegada
estesos els cables.
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada