ESTUDIO DE CORTO CIRCUITOINFLUENCIA DE LOS MOTORES SINCRONOS EN LAS CORRIENTES DE

CORTO CIRCUITO DE COMESTIBLES LA ROSA S.A.

JHON CRISTIAN GIRALDO PARRA

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRAFACULTAD DE INGENIERÍAS

INGENIERÍA ELÉCTRICAPEREIRA

2008

ESTUDIO DE CORTO CIRCUITOINFLUENCIA DE LOS MOTORES SINCRONOS EN LAS CORRIENTES DE

CORTO CIRCUITO DE COMESTIBLES LA ROSA S.A.

JHON CRISTIAN GIRALDO PARRA

Proyecto de grado presentado como requisito para la obtención de título deIngeniera Electricista.

DirectorLUCAS PAUL PEREZIngeniero Electricista

Profesor Facultad Ingeniería Eléctrica

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRAFACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA ELÉCTRICAPEREIRA

2008

!

Diciembre 2008

NOTA DE ACEPTACIÓN

________________________________

_______________________________

Ingeniero Ricardo Alberto HincapiéFirma del jurado

________________________________Ingeniero Lucas Paúl Pérez

Firma del director

"

Resumen

En este trabajo se presenta un estudio de corto circuito realizado en la fábricaComestibles la Rosa S.A., buscando conocer el estado actual del sistema deprotecciones y el aporte de los motores síncronos con potencias mayores a 50HPa las corrientes de corto circuito [7]. Se realizo conforme lo establece el estándar141 de la IEEE [8], para instalaciones industriales, utilizando el método de lasimpedancias, el cual permite calcular las corrientes de falla en cualquier punto deuna instalación, con buena precisión y siguiendo criterios establecidos por elestándarTodo con el fin de garantizar la continuidad en la operación del sistema bajo lasmejores condiciones, la seguridad de personas y equipos, la conservación de lasinstalaciones y la posibilidad de expansión de la red.

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Índice Generalpág.

Resumen........................................................................................................................... 4Índice General................................................................................................................... 5Índice de figuras...................................................................................... .......................... 7Índice de tablas................................................................................................................. 81. Capítulo1........................................................................................... ............................ 91.1. Introducción…........................................................................................... ................. 91.2. Objetivo General....................................................................................................... 131.3. Objetivos específicos.................................................................................. .............. 131.4. Estructura del trabajo................................................................................................ 132. Capítulo 2............................................................................................. ........................ 142.1. Introducción…………………….................................................................................. 142.2. Cortocircuito.............................................................................................................. 142.3. Corrientes de cortocircuito……………………………………………………………… 142.3.1 Características de la corriente de cortocircuito…………………………………….. 152.3.2 Fuentes de Corrientes de cortocircuito................................................................... 162.3.3 Clases de cortocircuito…………………………………………………...................... 172.3.3.1 Cortocircuito Trifásico………………………………………………………………. 172.3.3.2 Cortocircuito bifásico……………………….……..………………………………... 182.3.3.3 Cortocircuito monofásico.......................................................................................182.4 Reactancia….......…………………………………...................................................... 182.4.1 Reactancia Subtransitoria ....................................................................................... 192.4.2 Reactancia Transitória............................................................................................ 192.4.3 Reactancia Sincrônica ............................................................................................ 192.5 .Protección eléctrica.................................................................................................... 192.5.1Coordinacion de protecciones................................................................................. 202.5.1.1 Selectividad.......................................................................... ................................ 212.5.1.1.1 Selectividad Parcial……………………………………………………………..… 212.5.1.1.2 Selectividad Total…………………………………………………………..…….. 212.5.1.1.3 Filiación………………………………………………………………………..…… 212.6 Maquina sincrónica..................................................................................................... 212.7 Neplan......................................................................................................................... 223. Capitulo 3…………………………………………………………………………………… 233.1 Introducción……………………………………………………………………………..… 233.2 Normatividad Nestle……………………………………………………………………… 233.3 Normatividad IEEE………………………………………………………………...…… 263.3.1 Fundamentos para calcular las corrientes de cortocircuito……………………… 283.3.2 Tipos de cortocircuito………………………………………………………………… 283.3.3 Impedancia de los elementos………………………………………………………… 303.3.4 Trascientes por conmutación de interruptores…………………………………… 313.3.5 factor de decremento ………………………………………………………………… 333.3.6 Trascientes por múltiples conmutaciones………………………………………… 333.3.7 Procedimiento para hallar corrientes de cortocircuito……………………………… 353.3.7.1 Preparar el diagrama del sistema………………………………………..……… 383.3.7.2 Recolectar y convierta los datos en impedancias…………………………………. 383.3.7.3 Combinar las impedancias…………………………..………………………………. 383.3.7.4 Calcular las corrientes de corto circuito…………………………………………… 38

$

3.4 Normatividad Colombiana……………………………………………………………… 383.4.1 Norma Técnica Colombiana 2050 (NTC)…………………………………………… 383.4.2 Reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE)…………………..……… 394. Capítulo 4....................................................................................... ............................... 404.1 Introducción………………………………………………………………………………… 404.2 Métodos para el cálculo de corrientes de cortocircuito……………………………… 404.2.1 El método de composición ……………………………………………………………. 404.2.2 El método convencional ………………………………………………………………. 404.2.3 El método simplificado………………………………………………………………… 414.2.4 El método de las impedancias……………………………………………………… 414.3 Desarrollo de los cálculos……………………………………...………………………… 424.3.1 Elementos del sistema………………………………………………………………… 434.3.1.1 Impedancias de la red…………….………………………………………………… 434.3.1.2 Impedancia interna del transformador…………………………………………..… 434.3.1.3 Impedancia de las líneas de baja tensión ………………………………………… 434.3.1.4 Motores……………………………………………………………………………… 434.4 Resultados …………………………………………………………………… 455. Capítulo 5…………………………………………………………………………………… 55Conclusiones…………………………………………………………………………………… 556. Bibliografía................................................................... ................................................. 56

%

Índice de figurasPág

Figura 1. Diagrama unifilar subestación Chec-La Rosa……………...…………..……….. 11Figura 2. Diagrama unifilar Comestibles La Rosa….............………………........….......... 12Figura 3. Corriente de corto circuito…..................…………………………....…............... 15Figura 4. Características corriente de corto circuito………........................…….............. 16Figura 5. Fuentes que contribuyen a la Corriente de corto circuito….…….……………. 17Figura 6. Clases de cortocircuito……………………………………………………………. 18Figura 7 Relación funciones básicas sistema con las funciones seguridad….………… 25Figura 8. Circuito RLC serie…………………………….…………………………………… 30Figura 9. Figura 9. Conmutación en circuito resistivo…….………………………………. 31Figura 10. Conmutación en circuito inductivo……………………………………………… 32Figura 11. Relación factor de decremento Vs tiempo……………………………… …….. 33Figura 12.Componentes de la corrientes de cortocircuito…………………………. …….. 35Figura 13. Flujo de carga- simulación comestibles La Rosa……………………………… 48Figura 14. Cortocircuito- simulación Comestibles La Rosa sin motoresconectados……………………………………………………………………………………… 49Figura 15. Cortocircuito- simulación Comestibles La Rosa con motoresconectados……………………………………………………………………………………… 52Figura 16. Datos cortocircuito- Comestibles La Rosa con motores conectados………… 52

&

Índice de Tablaspág.

Tabla Nº 1 Valores conductores centelsa……………………………………………………. 44Tabla Nº2 Valores resistencia y reactancia para cables ACSR…………………………... 44Tabla Nº 3 Motores con potencias mayores a 50 HP……….……………………………… 45Tabla Nº 4 Valores típicos de las impedancias de los motores y rangos depotencia…………………………………………………………………………………………… 46Tabla Nº5 multiplicadores de las reactancias de las maquinas rotativas…….................... 47Tabla Nº6 Valores reactancias motores comestibles La Rosa…….………………………. 47Tabla Nº7 Resultados flujo de carga-sin motores presentes……………………………….. 48Tabla Nº8 Resultados simulación cortocircuito triásico sin motores……………………….. 50Tabla Nº9 Resultados flujo de carga- motores presentes…………………………………... 51Tabla Nº10 Resultados simulación cortocircuito triásico con motores...............…………..53

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Capítulo 1

1.1. Introducción

En los últimos años el principal objetivo de las diferentes empresas relacionadascon la Generación, Transmisión, Distribución y consumo de Energía Eléctrica hasido el de lograr una protección total de los diferentes elementos que conforman elsistema.Es por esto que los diseños de una instalación eléctrica, de los materialesconductivos utilizados y sus protecciones precisan del cálculo de las corrientes decortocircuito en cualquier punto de la red para efectos de seguridad de laspersonas, las instalaciones y los bienes en general [2].Dentro de los criterios que deben ser tenidos en cuenta para el correctofuncionamiento del sistema se encuentra la selectividad, ya que la operación de unsistema de protecciones con poca selectividad trae consigo graves consecuencias,las cuales se van a ver seriamente reflejadas en la confiabilidad del mismo. Lacalidad y confiabilidad del servicio se puede afectar, debido a las interrupcionesfrecuentes y por la incorrecta operación del sistema de protecciones.

El sistema de protecciones de Comestibles La Rosa [1], [11] carece deselectividad adecuada, es por esto que en ciertas ocasiones cuando ocurre unfallo de cortocircuito opera la protección aguas arriba que no debe actuar y terminaaislando sectores mayores, aumentando las paradas en la producción, factor quese quiere reducir al máximo.El objetivo principal de este trabajo es prevenir las posibles interrupciones en elsistema eléctrico de La Planta de “Comestibles La Rosa S.A.”, en caso de fallos decorto circuito, para asegurar la continuidad del servicio eléctrico en la misma.En vista de la necesidad que se tiene de evitar las posibles interrupciones en laplanta, fue necesario un estudio de niveles de cortocircuito y revisión de lasprotecciones eléctricas, que permita la propuesta de recomendaciones parasolventar los posibles problemas aumentando la continuidad del servicio eléctrico.

Además, hay ciertos factores relevantes que no se tuvieron en cuentaanteriormente a la hora del diseño del sistema de protecciones [1], [2], como sonlos motores con potencias mayores a 50 HP [7], que se encuentran en losCompresores de aire, la red contra Incendio, Compresores de Amoniaco, Molinode Wafer, el ascensor Othys y los motores de la sección de mezclas, que segúnlas tablas 12 y 13 del estándar IEEE 399-1990 capitulo 7 (anexo B) [7], se debentener en cuenta porque a la hora de un fallo los motores pueden incrementar lascorrientes de falla, debido a que estos cambian su naturaleza y se convierten engeneradores que alimentan la corriente de Corto circuito.

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A partir de los resultados obtenidos se busca hacer una serie de recomendacionesa la jefatura del área de electricidad para que se tomen los correctivos respectivos.

Por todo esto, en este documento se presentará la formulación y la metodologíapara el cálculo de los niveles de cortocircuito en baja tensión, presentada por laIEEE [7] [8] y que se aplica actualmente en los proyectos presentados por lasempresas de energía de este país. Para evitar posibles falencias en el análisis deeste trabajo se sugiere que el lector debe tener un conocimiento previo del cálculode corrientes de cortocircuito para facilitar así el entendimiento de lo aquíexpuesto.

El suministro de energía, lo realiza actualmente la empresa de Energía delPacifico EPSA, a través de las redes de la Central Hidroeléctrica de Caldas CHEC.El circuito de alimentación se encuentra albergado en la subestación Chec-LaRosa de la ciudad de Dosquebradas. Allí, a partir de 2 barrajes principales,Barraje Chec N °1 y Barraje Chec N °2, alimentados por 2 Bancos deTransformadores 115KV/ 33KV de 60MVA cada uno, a su vez conformados por 3Transformadores mono-fasicos de 20MVA, a partir de estos se desprende elcircuito de alimentación Principal de comestibles La Rosa (ver figura 1)

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Figura 1. Diagrama unifilar sub estación Chec-La Rosa

Continuando con el circuito, se encuentra el seccionador de operación manualprincipal, luego aguas abajo se encuentra la celda de 34.5KV de la subestación(Equipos ubicados en la subestación CHEC). (Ver figura 2)Ahora, dentro de los equipos ubicados en la subestación de Comestibles La Rosase encuentra nuevamente un seccionador de operación manual, además La Celdade 34.5 KV 3AG SIEMENS y luego el Transformador de 4MVA a 33/13.2 KV (verfigura 1). Este alimenta dos Transformadores de 13.2KV/440V de 1.6MVA y1.25MVA respectivamente, que se encuentran ubicados en la S/E 440V, lugardonde se ubican los circuitos principales de la planta con sus respectivasprotecciones

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Figura 2. Diagrama unifilar Comestibles La Rosa

FABRICA LA ROSA

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1.2. Objetivo General

Realizar un estudio de corto circuito en La Fabrica de Comestibles La Rosa,teniendo en cuenta los motores mayores a 50HP, con la ayuda del softwareNeplan [7], y bajo la norma IEEE 399-1990 capitulo 7(anexo B) [6].

1.3. Objetivos específicos

Conocer mediante la ayuda Neplan como afectan los motores síncronosa la red en caso de un corto circuito

Confrontar el análisis teórico-practico con los datos que se puedansimular a partir de Neplan de la misma Planta.

Generar una serie de recomendaciones para Comestibles La Rosa, lascuales permitan brindar un mejoramiento al sistema, evitando así que sesigan presentando las interrupciones sobre el mismo.

1.4. Estructura del trabajo

En el capítulo 2 se presentan algunos conceptos de corto circuito y proteccionesnecesarios para el entendimiento de este documento. Empezando por conceptosbásicos de corto circuito y de coordinación de protecciones.

En el capítulo 3 se hace un recorrido por la normatividad que debe seguir todoproyecto de montaje, mejoramiento o corrección a nivel de Ingeniería en el área deelectricidad. Normatividad IEEE, normatividad Colombiana y finalmente las normasinternas de Nestle.

En el capítulo 4 se presentaran los resultados obtenidos a partir de la simulacióndel sistema de La Rosa en Neplan, primero en condiciones especiales, es decir sintenerse en cuenta los motores síncronos con potencias mayores a 50HP,posteriormente siendo incluidos y finalmente, se contara como se realizo el trabajoen campo y los resultados obtenidos, confrontando dichos resultados .

En el capítulo 5 se presentan las conclusiones del análisis realizado y segeneraran las recomendaciones para el departamento técnico de Comestibles LaRosa.

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2. Capítulo 2

Conceptos sobre corto circuito y protecciones

2.1. Introducción

Para garantizar el buen funcionamiento de un sistema, es necesario que en elmomento de ser diseñado, se tengan en cuenta múltiples factores que llegan ainfluir en el desarrollo del mismo. Garantizándose que existan los dispositivos deprotección adecuados que impidan que el sistema falle totalmente, que el valorhumano se vea afectado y que los activos se vean comprometidos.

Es necesario conocer algunos conceptos básicos de los sistemas de protección ylos factores que puedan llegar a afectarlo, todo con el fin de establecer elentendimiento del presente documento.

2.2 Cortocircuito

Fenómeno eléctrico ocasionado por una unión accidental o intencional de muybaja resistencia entre dos o más puntos de diferente potencial de un mismocircuito, caracterizándose por elevadas corrientes circulantes, con efectosdestructivos hasta el punto de falla.

2.3 Corriente de cortocircuito

Sobre-corriente resultante de un cortocircuito en un sistema eléctrico. Elcomportamiento de una corriente de cortocircuito en el tiempo se observa en lafigura 3.

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Figura 3. Corriente de corto circuito

Ip: Corriente pico o máximo valor instantáneo de cortocircuito.A: Valor inicial de la componente DC. Esta componente es el valor promedio

entre las curvas superior e inferior (envolvente superior e inferior) de lacorriente de cortocircuito.

Donde, la magnitud de la corriente que fluirá a través de un cortocircuito dependeprincipalmente 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.

2.3.1 Características de la corriente de cortocircuito

El proceso que ocurre en el sistema de potencia al producirse una falla causadapor un cortocircuito es esencialmente de carácter transitorio. La corriente enrégimen normal es una onda sinusoidal a 60 hertz de frecuencia y amplitudconstante, no así cuando sucede un cortocircuito. La forma de onda en este casosigue teniendo una forma sinusoidal a 60 hertz pero va decreciendoexponencialmente desde un valor inicial máximo hasta su valor en régimenestacionario o permanente.

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Figura 4. Características corriente de corto circuito

Para estudiar el sistema en este estado transitorio se divide el período deocurrencia de la falla en una serie sucesiva de intervalos “casi estacionarios” loscuales son el período sub-transitorio, transitorio y estacionario o permanente, y seaplica el concepto de impedancia para determinar la corriente correspondiente acada uno de estos estados o intervalos.

2.3.2 Fuentes de Corrientes de cortocircuito

Las fuentes principales de corrientes de cortocircuito son los generadoresexistentes en la red local y la generación remota de la red que le suministraenergía Eléctrica (red pública), sin embargo, los motores sincrónicos y deinducción que antes de la falla representaban una carga para el sistema, encondiciones de cortocircuito, se comportan como generadores durante un tiemporelativamente corto (ver figura 5)

(%

Figura 5. Fuentes que contribuyen a la Corriente de corto circuito

2.3.3 Tipos de cortocircuito

2.3.3.1 !"#!$%"$&%#!'("%)*+%$!,

Es el defecto que corresponde a la unión de las tres Fases, la intensidad de corto

circuito trifásico [13], es:

cc

CC

Z

VI

33! *+, -(.

Donde:

3CCI = Corriente de cortocircuito trifásica (Amperios).

(&

V = Tensión entre líneas (Voltios).

CCZ = Impedancia equivalente a todas las impedancias desde la

fuente hasta el punto de cálculo (punto de corto) (Ohmios).

2.3.3.2 Cortocircuito bifásico:

Se presenta cuando entran en contacto dos fases cualquiera y la tierra del

sistema [13].

332866.0

2

3

2CCCC

cc

CCII

Z

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"! [A] (2)

2.3.3.3 Cortocircuito monofásico:

Ocurre al ponerse en contacto una fase cualquiera con la tierra del sistema [13].

LNcc

CC

ZZ

VI

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31

[A] (3)

2.4 Reactancia:

La aplicación del concepto de impedancia se ve plasmada 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 (ver figura 4)

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Figura 6. Clases de cortocircuito

2.4.1 Reactancia Subtransitoria Xd”:

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.

2.4.2 Reactancia Transitoria X’:

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.

2.4.3 Reactancia Sincrónica Xd:

Determina el flujo de corriente cuando se establece el período estacionario (ver

figura 4)

2.5 Protección Eléctrica:

Encargada de salvaguardar la integridad de los equipos y personas. Este sistema

de protección de los equipos y/o instalaciones del sistema eléctrico tiene como

objetivos:

)

Detectar las fallas para aislar los equipos o instalaciones falladas tan pronto

como sea posible

Detectar y alertar sobre las condiciones indeseadas de los equipos para dar

las alertas necesarias; y de ser el caso, aislar al equipo del sistema

Detectar y alertar sobre las condiciones anormales de operación del

sistema; y de ser el caso, aislar a los equipos que puedan resultar

perjudicados por tales situaciones. El sistema de protección debe ser

concebido para atender una contingencia doble; es decir, se debe

considerar la posibilidad que se produzca un evento de falla en el sistema

eléctrico, al cual le sigue una falla del sistema de protección, entendido

como el conjunto Relé-Interruptor.

Por tal motivo, se debe establecer las siguientes instancias:

Las protecciones principales (primaria y secundaria) que constituyen la

primera línea de defensa en una zona de protección y deben tener una

actuación lo más rápida posible (instantánea).

Las protecciones de respaldo que constituyen la segunda instancia de

actuación de la protección y deberán tener un retraso en el tiempo, de

manera de permitir la actuación de la protección principal en primera

instancia.

El Sistema de Protección está constituido por las protecciones preventivas y las

protecciones incorporadas en los equipos. Para cada uno de ellos se debe definir

su operación, con el fin de detectar las condiciones anormales, las cuales

requieren de su inmediata intervención; pero, asimismo, no causando ninguna

perturbación al sistema con ninguna actuación indebida durante la operación

normal del sistema, bajo todas las condiciones de generación y demanda, así

como en cualquier configuración posible del sistema eléctrico.En general, las

protecciones son diseñadas para operar en dos formas distintas: como

(

Protecciones Unitarias para detectar fallas en una zona de protección o como

Protecciones Graduadas para detectar fallas en más de una zona de protección.

2.5.1 Coordinación de Protecciones:

Permite tener fiabilidad total en el sistema de protecciones, con el fin de garantizar

que la falla sea aislada de forma puntual, sin llegar a afectar las protecciones de

los circuitos aguas arriba.

2.5.1.1 Selectividad:

Garantiza que en el caso de ocurrencia de una falla solo el interruptor involucrado

directamente con la falla es el que debe actuar.

2.5.1.1.1 Selectividad Parcial:

Cuando para un valor elevado de cortocircuito se puede dispara cualquiera de los

interruptores.

2.5.1.1.2 Selectividad Total:

Cuando para cualquier valor de cortocircuito solo se dispara el interruptor cercano

a la falla.

2.5.1.1.3 Filiación:

Es la utilización del poder de LIMITACION de los interruptores automáticos

ofreciendo la posibilidad de instalar aguas abajo interruptores con menores

poderes de corte o capacidad de ruptura que las esperadas, siempre y cuando

aguas arriba se encuentre Interruptor que le brinde el adecuado refuerzo o

respaldo.

2.6 Máquina Sincrónica:

Las máquinas síncronas son un tipo constructivo de Máquina eléctrica, son

dispositivos de conversión de energía electromecánicos.

Es decir, convierten energía eléctrica en energía mecánica, siendo en este caso

utilizados como motores o por el contrario, transforman energía mecánica en

energía eléctrica siendo en este caso generadores.

Los principios físicos de funcionamiento, en ambos casos, son exactamente los

mismos, y se basan en la interacción electromagnética entre campos y corrientes

variables.

2.7 Neplan:

NEPLAN es un software de análisis de sistemas de potencia amigable para el

usuario e integrado para Redes Eléctricas de Transmisión, Distribución e

Industriales que incluye Flujo de Potencia Óptimo, Estabilidad Transitoria (RMS y

EMT), Análisis de Confiabilidad, Mantenimiento Centralizado en la Confiabilidad

(RCM), Cortocircuitos y muchos más[10].

NEPLAN se utiliza para el análisis, planeamiento, optimización y administración de

redes de potencia. De manera rápida y eficiente pueden ser ingresadas,

calculadas y evaluadas redes eléctricas para todos los niveles de voltaje con

cualquier número de nodos.

!

3. Capítulo 3

Normatividad

3.1. Introducción

Una norma es un documento que contiene una serie de reglas, especificacionestécnicas, y características optimizadas, que se ha elaborado y aprobado porconsenso a través de un organismo reconocido internacionalmente. Como sonparte fundamental de cualquier proceso, muestran el cómo hacer las cosas, por lotanto no se puede olvidar que la omisión de ellas, sea por desconocimiento o pornegligencia trae consigo drásticas sanciones.

3.2. Normatividad Nestle:

Nestle por medio de sus instrucciones técnicas presenta una serie de conceptosbásicos de ingeniería necesarios a la hora de realizar cualquier proyecto sea deimplementación o mejora en el área eléctrica en cualquiera de sus plantas. Puntoimportante de este trabajo es seguir estos lineamientos y conocer si el sistemaactual de comestibles La Rosa esta en enfocado con la política de la compañía.

La instrucción técnica Tm 217-0, ¨Guía de preparación básica de diseños deIngeniería eléctrica para proyectos en plantas industriales¨, establece quetodo diseño realizado debe garantizar la seguridad de las personas y activos, lacontinuidad del proceso productivo, facilidades para el mantenimiento y laposibilidad de expansiones futuras. Por lo tanto, para lograrlo se debe hacer uncuidadoso levantamiento de datos de la red. Estableciendo la carga de losdiferentes circuitos, conociendo las condiciones del proveedor de energía y de lasfuentes de generación propia, determinando si los elementos de protección de lared son los adecuados, todo esto acompañado de un plano actualizado delsistema que permita en cualquier momento y de la forma más clara, conocer orevisar las condiciones del mismo. El diseño de las instalaciones eléctricas deberáser hecho a partir del alcance particular especificado para cada proyecto y enestricto apego a la Normas oficiales colombianas aplicables, normas IEEE ynormas Nestle vigentes.

Por tanto es bien importante que en el levantamiento de datos se tengan encuenta todas las áreas, los elementos que la componen, la carga que alimentan, elconductor utilizado y su longitud hasta los barrajes de la subestación, el sistema

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de protecciones y la calidad de las fuentes de suministro de energía; monitoreandoque todo este acorde a los estándares de la regulación Colombiana, los cualesson de carácter obligatorio y a partir de los cuales se trabaja.

Es de gran importancia resaltar todo lo relacionado al sistema de protección,garantizando la trayectoria a tierra en toda la instalación, desde los circuitos,equipos y cubiertas metálicas debe ser permanente y eléctricamente continua, decapacidad suficiente para conducir las corrientes de falla que puedan producirse yfacilitar el funcionamiento de los dispositivos de protección contra sobre corriente.

La malla de tierra de la subestación deberá ser hecha con el calibre adecuado ydimensionarse de acuerdo a la corriente máxima de corto circuito que circulará porla malla, respetando los valores máximos de tensiones de paso y toque permitidosen la Estándar 80 IEEE. La resistencia máxima de la red de tierra para la subestación de 33Kv debe ser de 10 ohms.

Acorde a la carga instalada, podremos conocer la magnitud de la corriente que encondiciones normales fluirá a través de los diferentes circuitos ramales de la red, ycon una permisibilidad de un 25% de la magnitud de I nominal del circuito, siendoestos valores los que permiten tener la protección adecuada tomando como baselos listados de la IEC.

Para Nestle la seguridad es un valor no negociable, y está por encima de cualquierotro valor, es por esto que genera instrucciones como la Tm 217.5, ¨Guía para laincorporación de seguridad en el área eléctrica para máquinas einstalaciones¨, aplicable no solo para el montaje de nuevas plantas y maquinaria,sino para la expansión, revisión y mejoramiento de las actuales, sin dejar a unlado las recomendaciones de los fabricantes.

Al comienzo de cualquier proyecto o trabajo debe realizarse un análisis de riesgosque permita determinar si la red que se está implementando, cumple con losequipos de protección adecuada, que permitan disipar cualquier tipo de falla, sinque la integridad física de algún operario o activo se vea afectada. Laconstrucción de circuitos seguros se basa en estándares que permitan tenerdispositivos confiables. Para logra esto, se debe tener muy claro como seencuentran las instalaciones eléctricas de la planta. Ya que en una instalación, loscircuitos de potencia representan la forma en que la energía eléctrica se distribuyedesde la sub estación de la planta hasta los diferentes puntos de consumo queexistan aguas abajo. La distribución funcional de los centros de trabajo, de lascargas instaladas, la selección del nivel de voltaje, permiten determinar lasdimensiones de los materiales y de las diferentes tipos de conexiones, todo acorde

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a las buenas prácticas de fabricación (BPF) y en cumplimiento de las normas deseguridad. Como ejemplo tenemos: La existencia de un sistema efectivo deaterrizaje, la distribución equitativa de cargas para evitar las sobrecargas queproduzcan calentamientos de transformadores y conductores. Ahora, dentro de lospuntos básicos de los circuitos de potencia tenemos:

Seccionar o abrir, permitiendo el aislamiento eléctrico de la maquinas oinstalaciones.

Funciones de protección (Contra corto circuitos, sobrecargas, etc.)

Funciones de control de carga (Arranques, paradas, control de velocidad).

Figura 7 Relación funciones básicas sistema con las funciones seguridad

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3.3. Normatividad IEEE:

Según la IEEE en su estándar 141-Red Book “IEEE Recommended Practice forElectric Power Distribution for Industrial Plants”, hasta los sistemas másavanzados y con el mejor diseño pueden llegar a experimentar un corto circuito.

Los flujos de corriente, que a partir de estos se pueden presentar, se encuentranlimitados por la impedancia de los circuitos y equipos, desde la fuente hasta elpunto de fallo y no directamente relacionado al tamaño de la carga. Por lo tanto, ala hora de diseñar o mejorar un sistema eléctrico, se debe realizar el estudio decorto circuito respectivo; logrando así tener las protecciones adecuadas querestringirán las altas corrientes y la mejor sensibilidad que permita disipar las bajascorrientes.

Existen múltiples fuentes que alimentan dichas corrientes, dentro de las mássignificativas se encuentran las maquinas rotativas, los bancos de condensadores(cuyas trascientes de corriente de corto circuito de descarga son muy altas, perotienen corta duración por lo que no se tienen en cuenta). Las máquinas rotativasson las que realmente se deben tener en cuenta a la hora de realizar un estudiode corto circuito en cualquier instalación industrial. Se deben analizar cincocategorías principalmente, así:

Generadores síncronos.

Motores síncronos.

Maquinas de Inducción.

Sistemas de Energía externos.

Motores AC o DC con velocidad variable o motores con fuentes dealimentación de equipos AC de estado solidó.

Teniendo muy presente que la impedancia de la maquina no es un simple valor, esalgo un poco más complejo y varia con el tiempo, según estándares de la IEEE,para efectos de cálculo de corrientes de corto circuito a nivel industrial se hanestablecido tres nombres específicos para valores de Reactancia, definidos comoReactancia sub-transitoria Xd´´, transitoria Xd´ y síncrona o de estado estable Xd,los cuales permiten conocer el comportamiento de la corriente de forma precisa elmomento mismo en que se presenta la falla, ciclos posteriores a la ocurrencia dela misma y cuando el sistema retorna a su estado normal o estable. Para efecto decalibración de equipos de protección la reactancia de estado estable o sincrónicarara vez es tenida en cuenta.

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Para el caso de los generadores síncronos, al ser aplicada una corriente de cortocircuito sobre sus terminales, el valor de esta corriente es muy alto y decae hastaalcanzar el estado estable, poco tiempo después de haber ocurrido la falla. Ahora,desde que este siga siendo movido por su primo-motor y su campo siga siendoalimentado externamente, el valor de estado estable de la corriente de cortocircuito va a permanecer a menos de que esta alimentación sea interrumpida porel sistema de protección respectivo.

El motor síncrono genera corrientes alimentando la falla tanto como lo haría ungenerador síncrono. En el momento en que ocurre una falla el voltaje cae y porende este recibe menos potencia para mover su carga, pero al mismo tiempo losvoltajes internos generan corrientes que fluyen hacia el punto de falla. La inerciadel motor y su carga actúa como un primo motor, con la excitación de cargamantenida, el motor actúa como un generador que alimenta la corriente de falla.Esta corriente de falla disminuye en la manera que el campo magnético lo hace.

Ahora para el caso de las maquinas de Inducción, como los motores de inducciónde Jaula de Ardilla, los cuales son otra fuente de alimentación de las corrientes defalla. Esto se genera por la inercia que conduce el motor en presencia de un flujodel campo producido por la inducción desde el estator algo que proviene desde undevanado de campo dc. Puesto que este flujo decae por la pérdida en la fuentevoltaje causado por una avería en los terminales del motor, la contribución actualde un motor de inducción a los terminales de la avería reduce y desaparecetotalmente después de algunos ciclos. Porque la excitación del campo no semantiene, no hay ningún valor de estado estacionario de la corriente de falla encuanto a máquinas síncronas se refiere. Para este tipo de maquinas solo se tienepresente el valor de la reactancia sub transitoria y su valor aumenta a medida quela reactancia del rotor bloqueado contribuye a que la corriente de corto circuitodecaiga, la representación circuital es la misma. Se debe tener presente que parael caso de los cálculos de las corrientes de corto circuito un generador deinducción puede ser tratado como un motor de inducción.

Los generadores remotos de la empresa de energía que suministra el fluidoeléctrico son otra fuente de contribución a la corriente de falla entregado a travésde un transformador de suministro. Como estos se encuentran por lo generalalejados de las plantas industriales los aportes a las corrientes de falla tienden aser muy pequeñas, y la corriente contribuida tiende a ser muy constante. Por estasrazones, este se ve representado por una impedancia referida al punto deconexión. Algunos Motores de inducción AC o DC con velocidad variable , cuyavelocidad cambia acorde a la frecuencia o voltajes DC de estado sólido deequipos con fuente alimentación AC, pueden, bajo ciertas condiciones llegar acontribuir con corrientes desde los motores al corto circuito en el sistema dealimentación AC. No se puede olvidar que en el diseño de un sistema de potencia

&

los equipos determinan si una corriente puede o no ser retroalimentada desde losmotores, para mayor información se debe consultar al fabricante. La magnitud yduración de estas corrientes estará determinada por el tiempo de operatividad delsistema de alimentación.

3.3.1 Fundamentos para calcular las corrientes de cortocircuito

Para determinar la corriente de corto circuito basta con utilizar la relación básica

planteada por la ley de OhmZ

EI ! , donde I es la corriente de corto circuito, E es

el voltaje de la fuente y Z es la impedancia equivalente de todos los elementos dela red, incluyendo la impedancia de la fuente.

Como se ha observado son múltiples las fuentes que contribuyen a la falla, peroes bien importante lograr la simplificación de las mismas como un paso principal.El propósito de estos cálculos es lograr que a pesar de la complejidad de lossistemas actuales y la ausencia de parámetros exactos se puedan obtenerresultados con buena precisión, donde se puedan conocer los límites máximos ymínimos de las corrientes de corto circuito.

Los valores máximos calculados son usados para determinar el rango adecuadode interrupción de los dispositivos de protección, para mirar la capacidad de loscomponentes del sistema de soportar tensiones mecánicas y térmicas y paradeterminar si la coordinación de los relés de protección es la adecuada. Losvalores mínimos son utilizados para determinar la sensibilidad de los relés deprotección.

3.3.2 Tipos de Corto circuito

En sistemas industriales, el corto circuito trifásico es frecuentemente el únicoconsiderado ya que es el que generalmente presenta las máximas corrientes.Existen otros tipos de fallas como son el fallo línea a línea, con rangos más bajosde corriente y el Línea-tierra que puede generar corrientes mayores pero se da enmuy pocas ocasiones.

El hecho de considerar un corto circuito trifásico simplifica también los cálculos. Elsistema, incluyendo el cortocircuito, sigue siendo simétrico sobre el punto neutral,independientemente de si el punto neutral está puesto a tierra y sin importar lasconexiones delta o estrella del transformador. La corriente trifásica equilibrada delcortocircuito se puede calcular usando un circuito equivalente monofásico quetenga solamente voltaje e impedancia línea-a-neutro.

En el cálculo de la corriente máxima de corto circuito se asume que la conexión decorto circuito tiene impedancia cero, sin efecto limitador debido a la corrientemisma.

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Por medio del circuito básico equivalente se puede encontrar la corriente de falla,ya que solo se tiene una impedancia y una fuente de voltaje, que recogen cadauno de los elementos de la misma naturaleza, en el caso del voltaje representa lainclusión de todas las fuentes que actúan en el sistema incluso el de maquinasrotativas, y para el caso de la Z, es la reducción de la red de impedancias querepresentan los diferentes elementos del sistema. Este circuito equivalente es unatransformación valida del circuito acorde al teorema de thevenin.

Normalmente el voltaje de pre falla es tomado del voltaje nominal del sistema en elpunto del corto circuito porque este es muy cercano al voltaje de operaciónmáximo a plena carga. La representación monofásica del sistema de un sistematrifásico balanceado utiliza las impedancias por fase y el voltaje línea-neutro,

donde este es el voltaje línea-línea dividido por 3 y para simplificar los cálculosse debe llevar todo a por unidad.

Las impedancias de los elementos mayores deben ser incluidos en el estudio decorto circuito, estos son: Transformadores, conductores, cables y maquinasrotativas. Existen otros elementos que podrían ser tenidos en cuenta, perorealmente por ser tan pequeñas no representan un cambio significativo en loscálculos, su omisión representa corrientes de falla más grandes.

El estándar también muestra que las cargas estáticas como iluminación y aireacondicionado presentes en la red, no son tenidas en cuenta porque suimpedancia esta en conexión Shunt con otros circuitos ramales. Esta apreciaciónse considera válida debido a que el factor de potencia de las impedancias de lascargas estáticas es grande

A partir de la simplificación del sistema es válido calcular la corriente de cortocircuito usando el vector de impedancias, ya que este es la suma de la resistenciaR y la reactancia X. En sistemas de alto y medio voltaje, cuando las reactanciasson mucho mayores que las resistencias, es correcto utilizar solo los valores delas reactancias ignorando el de las resistencias, ya que aun así se puede obteneruna buena precisión en los datos obtenidos; caso contrario con los sistemas debaja tensión donde las resistencias deben ser tenidos en cuenta.

Donde sí son realmente necesarias las resistencias para sistemas de alto y mediovoltaje, es para hallar la relación X/R de los interruptores de protección.

En la página 115 del estándar IEEE 141 ´´red book´´ [7], muestra que para poderllegar a este nivel de simplificación es necesario revisar ciertas restricciones enlos cálculos impuestas, para así poder describir el procedimiento a seguir en elcálculo de las corrientes de falla.

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3.3.3 Impedancia de los elementos

En un sistema de potencia AC que contiene circuitos RLC en serie, la expresiónpara relacionar al voltaje con la corriente cambia un poco, incluyendo nuevoselementos. Para llegar a conocer la magnitud de la corriente se requiere de lasolución de una ecuación diferencial, como la que se muestra a continuación

Figura 8. Circuito RLC serie

O

O

EC

Q

dt

dQR

dt

QdLE

EC

IdtRI

dt

dILE

$$$%!

$$$%! &

2

2

Esta ecuación puede bajo ciertas restricciones convertirse en una simpleecuación usando el vector de impedancias

'(

)*+

,-.

/01

2 3$!C

LJRIE

1

Las restricciones son, primero, la fuerza eléctrica que mueve es una onda seno ysegundo, los coeficientes de las impedancias R, L y C son constantes. Perotambién, estos pueden llegar a ser inhabilitados por los trascientes deconmutación que se presentan en la red.

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3.3.4 Trascientes por Conmutación de Interruptores

El análisis del vector de impedancias solo reconoce la onda seno de estadoestable de las medidas eléctricas y no incluye los efectos de una conmutaciónintempestiva, estos efectos pueden ser analizados por aparte y agregadosposteriormente. Para el caso de solo una resistencia R al ocurrir la conmutaciónhará que la corriente asuma el valor de estado estable sin necesidad de agregaralgún trasciente [7].

Figura 9. Conmutación en circuito resistivo

Caso contrario cuando se tiene solo inductancias L, al presentarse un transciendepor conmutación de interruptores puede ser hallado de forma más fácil, usando lasiguiente expresión

dt

dILE ! ,

L

E

dt

dI!

La cual nos muestra que el voltaje conducido a través de la impedancia creara uncambio en la magnitud de la corriente

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Figura 10. Conmutación en circuito inductivo

Como se observa en la grafica la corriente de estado estable, retrasa la onda devoltaje 90º y se incrementa a su valor máximo en la dirección positiva cuando elvoltaje tiene su valor positivo máximo, manteniéndose en un valor fijo solo cuandoel voltaje es cero. En el momento en que el interruptor cierra, se observa que lacorriente de estado estable había estado en su valor negativo en un 90% del valorde su cresta, antes del cierre la corriente del circuito debe ser cero, después delcierre la curva actual de corriente mostrara la misma pendiente que la de la ondade estado estable. Se puede observar que la diferencia entre esta curva y la deestado estable es una componente DC de igual magnitud que la onda de estadoestable hubiese tenido en el instante del cierre, en la dirección negativa. Así eltrasciente por conmutación toma la forma de un componente DC, cuyo valorpuede estar entre cero y el valor de la cresta de la onda de estado estacionario,dependiendo del ángulo de cierre del interruptor. Si el circuito no contieneresistencias, la corriente podría continuar en forma desplazada por siempre. Lapresencia de una resistencia causa que la componente DC se disipeexponencialmente y la expresión para la corriente quedaría

4 5 4 5 LRt

dc eItSINLj

EI /´3$!

La presencia de componentes DC puede introducir problemas únicos en lacoordinación de la selectivad entre algunos tipos de dispositivos de sobrecorriente. Es particularmente importante considerar que estas corrientestransitorias no son mostradas por medio de la solución del vector de impedancia,pero pueden ser analizados por aparte y posteriormente incluidas.

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3.3.5 Factor de Decremento

Es importante saber que una cantidad decae con el tiempo en forma exponencial,pero esto puede ser mejor entendido si el exponencial es expresado en términosde tiempo constante.

Figura 11. Relación factor de decremento Vs tiempo

En la figura anterior el factor decrecimiento es expresado como –t/t´, siendo t

variable con el tiempo ubicado en el numerador y un tiempo t´ que es constanteubicada en el denominador llamado constante de tiempo. Así, se observa comouna cantidad transitoria comienza a decaer a una velocidad que la haríadesaparecer en un tiempo constante.

3.3.6 Trascientes por múltiples conmutaciones

Al realizarse un estudio de corto circuito se podría asumir que al presentarse unfallo por corrientes de corto circuito se presenta un único trasciente porconmutación de interruptores , pero según una serie de estudios especializadosson múltiples las interrupciones que se presentan y por ende de trascientes, estese presenta especialmente en circuitos capacitivos repitiéndose de dos a tresveces antes de la interrupción final, ya que tanto los trascientes AC como DC,pueden hacer parte en repetidas ocasiones del flujo de corriente hasta que seainterrumpida totalmente.

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Existen otras importantes herramientas a la hora de determinar las corrientes decorto circuito, como son el teorema de Thevenin y el de superposición. El teoremade Thevenin permite llevar una compleja red a un simple sistema representado poruna fuente de voltaje en serie con una impedancia referidas al punto a estudiar, yel Teorema de superposición permite conocer el efecto de los cambios en elvoltaje de fuentes remotas en su punto de origen para todo el sistema deimpedancias. En general, cualquiera de estos métodos es válido para hallar lascorrientes de falla, solo que hay algo que se debe tener en cuenta y es que existenciertas restricciones para cada método, que no deben ser saltadas ya queacarrearía desviaciones en los resultados.

Este capítulo cuarto del estándar 141 de la IEEE-red book [7], busca brindar unavaliosa herramienta que permita conocer las complejidades básicas implicadas enlos cálculos de las corrientes de corto circuito, haciendo frente a los diferentesproblemas prácticos que se puedan presentar en el día a día. Dentro de los puntosque se deben tener en cuenta para la realización de este se encuentran:

Tener presente la localización y tipo de falla para poder cumplir con losobjetivos trazados.

Establecer el modelo más simplificado del sistema, logrando reducir elgrado de complejidad del análisis.

Analizar muy bien las restricciones que el método a utilizar presenta, paraevitar violarlas.

Si es necesario se deben adecuar o suministrar ayudas artificiales paracompensar las desviaciones.

Algunos de estos puntos son aplicables a los procedimientos enunciados, seasume un sistema trifásico balanceado en falla, con su circuito equivalentesimple.

Para el caso de los trascientes en circuitos inductivos solo se pueden analizarbajo la restricción de que el sistema debe ser asimétrico. Para esto se procede ahacer el análisis considerando que la onda de la componente asimétrica de cortocircuito está compuesta por dos componentes. Una es la componente ACsimétrica de E/Z, la otra es la componente DC que presenta inicialmente su mayormagnitud posible, igual al pico de la componente simétrica inicial. En cualquierinstante después de ocurrida la falla, la corriente total es igual a la suma de lasdos componentes.

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Figura 12. Componentes corrientes de cortocircuito

Las resistencias siempre están presentes en un sistema real, la componente DCdecae a cero a medida que la energía almacenada se disipa en forma de calor.Este decae en forma exponencial y su constante de tiempo se asume que esproporcional a la relación de la resistencia con la reactancia (X/R) desde elsistema a la fuente del daño. A medida que la componente DC decae la corrientecambia gradualmente de asimétrica a simétrica [7].

3.3.7 Procedimiento para hallar corrientes de cortocircuito:

La IEEE establece la forma de realizar un estudio de corto circuito de una formasencilla y con una buena precisión, este sistema es el utilizado por las empresasde energía a la hora de hacer dichos cálculos. Las partes significativas de lapreparación para un cálculo actual del cortocircuito están estableciendo laimpedancia de cada elemento de circuito o sea mediante la combinación en seriey el paralelo. Las fuentes de valores de la impedancia para los elementos decircuito son placas de identificación, manuales, catálogos de los fabricantes, tablasestablecidas, y contacto directo con el fabricante [7].

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

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

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

- Las impedancias de las máquinas rotativas y transformadores son del mismoorden 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 erroresen el caso de usar computadores para los cálculos.

- Los fabricantes normalmente especifican las impedancias de los equiposeléctricos en por unidad o en por ciento.

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

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/001

2!

base

basebase

S

VZ

2

--.

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2!

iableladebaseValor

iablerealValorUPenVariables

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var.

-.

/01

2

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base

basebase

V

SI

3

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Una es mediante expresada en Ohms y la otra es en por unidad, la normarecomienda utilizar la segunda forma, puesto que garantiza que el numero decomplicaciones por cuenta de diferentes fuentes de voltaje es mínimo. Lasimpedancias expresadas en por unidad en una base definida se pueden combinardirectamente, sin importar cuántos niveles de voltaje existen de fuente a la avería.

Respetando ciertas condiciones al seleccionar los valores base (como tensiónbase igual a la tensión línea a línea del sistema), las leyes y relaciones eléctricasmás 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 unsistema está expresado en una base distinta que la seleccionada como base enel estudio (como en el caso de transformadores, generadores y motores), siendonecesario cambiarla a la nueva base usando la ecuación

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.

El procedimiento para calcular a nivel industrial las corrientes de cortocircuito,consta de los siguientes pasos:

22

.. --.

/001

26-

.

/01

2!

viejabase

nuevabase

nuevobase

viejobaseviejaupnuevaup

S

S

V

VZZ

!

3.3.7.1 Preparar el diagrama del sistema:

Un diagrama de línea del sistema se debe preparar para demostrar todas lasfuentes de cortocircuito actuales y todos los elementos significativos del circuito.La información de las impedancias se puede colocar en el diagrama del sistemadespués de la colección de datos inicial y después de la conversión. Es mejorpreparar un diagrama separado que demuestra solamente las impedanciasdespués de la conversión.

3.3.7.2 Recolectar y convertir los datos en impedancias:

Los datos de la impedancia, incluyendo reactancia y resistencia, se deben tomarpara los elementos importantes y llevarlos a p.u en las bases seleccionadas parael estudio. [7]

3.3.7.3 Combinar las impedancias:

Consiste en llevar todas impedancias de los elementos a un equivalente deimpedancias de red, al punto que se quiere evaluar. [7]

3.3.7.4 Calcular las corrientes de corto circuito:

El paso de final es calcular la corriente del cortocircuito. Los detalles del cálculoestán influenciados por el voltaje nominal del sistema o los voltajes y losresultados deseados. [7]

3.4. Normatividad Colombiana:

3.4.1 Norma Técnica Colombiana 2050 (NTC)

Este código está hecho para garantizar que el sistema eléctrico colombianotrabaje bajo las especificaciones técnicas requeridas, que resulte adecuada suutilización por organismos que tengan jurisdicción legal sobre las instalacioneseléctricas y para ser aplicado por personal autorizado. La autoridad que tengajurisdicción sobre el cumplimiento de este código debe ser responsable deinterpretar las reglas, de decidir la aprobación de los equipos y materiales y deconceder los permisos especiales que contemplan algunas de estas reglas. Por lotanto puede hacer fuerte auditoria sobre el diseño, construcción y terminación decualquier proyecto, obra u actividad que se encuentre bajo el amparo de la misma.Se debe tener muy claro que, el objetivo de este código es la salvaguardia de laspersonas y de los bienes contra los riesgos que pueden surgir por el uso de laelectricidad.

"

La norma establece que los dispositivos de protección contra sobrecorriente, lacapacidad nominal de cortocircuito de los componentes y otras características delcircuito que debe proteger, se deben elegir y coordinar de modo que permitan quelos dispositivos para protección del circuito utilizados para eliminar una falla, lohagan sin causar daños extensivos a los otros componentes eléctricos del circuito.Esta falla podrá ocurrir entre dos o más conductores del circuito o entre cualquierconductor del circuito y el conductor de puesta a tierra o la canalización metálicaque lo contiene. Se considera que los productos certificados, aplicados de acuerdocon su certificación, cumplen con dicho artículo [4].

En el diseño de cualquier instalación se debe tener muy presente que elementosconforman el sistema, como se van a proteger, en donde se deben ubicar losequipos de protección, la capacidad de los mismos, la forma de desconexión delos mismos, entre otras.

La sección 240 muestra los dispositivos de protección contra sobrecorriente,expone los requisitos generales de la protección contra sobrecorriente y losdispositivos de protección contra sobrecorriente de no más de 600 V nominales,donde la protección contra sobrecorriente de los conductores y equipos se instalade modo que abra el circuito si la corriente alcanza un valor que pudiera causaruna temperatura excesiva o peligrosa de los conductores o su aislamiento.

La capacidad nominal de los motores, la forma de conexión a cualquier circuitoramal, los equipos de protección de los mismos son todos referenciados en lasección 430 [4].

3.4.2 Reglamento técnico de instalaciones eléctricas (RETIE)

El objeto fundamental de este Reglamento es establecer medidas que garanticenla seguridad de las personas, de la vida animal y vegetal y de la preservación delmedio ambiente; previniendo, minimizando o eliminando los riesgos de origeneléctrico. Estas prescripciones parten de que se cumplan los requisitos civiles,mecánicos y de fabricación de equipos.Establece las exigencias y especificaciones que garanticen la seguridad con baseen el buen funcionamiento de las instalaciones, la confiabilidad, calidad yadecuada utilización de los productos, es decir, fija los parámetros mínimos deseguridad para las instalaciones eléctricas.Igualmente, es un instrumento técnico-legal para Colombia, que sin crearobstáculos innecesarios al comercio o al ejercicio de la libre empresa, permitegarantizar que las instalaciones, equipos y productos usados en la generación,transmisión, transformación, distribución y utilización de la energía eléctrica,cumplan con los siguientes objetivos [3]:

La protección de la vida y la salud humana.

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La protección de la vida animal o vegetal. La preservación del medio ambiente. La prevención de prácticas que puedan inducir a error al usuario.

4. Capítulo 4

Análisis de Resultados

4.1 Introducción

En este capítulo se muestra el procedimiento llevado a cabo en la realización delanálisis de corto circuito, comenzando por mostrar el método utilizado, losresultados obtenidos mediante la simulación y la confrontación con el análisisteórico, teniendo muy presente lo establecido por la IEEE.

4.2 Métodos para el cálculo de corrientes de cortocircuito

Existen diferentes métodos para hallar el valor de las corrientes de cortocircuito encualquier punto de un sistema de potencia. Entre los más comunes esta el métodode Composición, el Convencional, el Simplificado y el de las Impedancias.

4.2.1 El método de composición

Se puede utilizar cuando no se conocen las características de la alimentación. Laimpedancia aguas arriba del circuito considerado se calcula a partir unaestimación de la corriente de cortocircuito en su origen. Esta aproximación permiteobtener el valor del módulo de las corrientes de cortocircuito, con unaaproximación suficiente para calcular el circuito.

Este método aproximado sólo se aplica a instalaciones de potencia inferior a 800kVA.

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4.2.2 El método convencional

Permite calcular las corrientes de cortocircuito mínimas y las corrientes de defectoen el extremo de una red, sin conocer las impedancias o la Icc de la instalaciónaguas arriba del circuito considerado.

Se basa en la hipótesis de que la tensión en el origen del circuito, durante eltiempo de Corto-circuito o defecto, es igual al 80% de la tensión nominal.

Este método no tiene en cuenta la resistencia de los conductores para seccionesimportantes. Este método se usa sobre todo para los circuitos finalessuficientemente alejados de las fuentes de alimentación (red o grupo).

4.2.3 El método simplificado

Utilizando unas tablas con diversas hipótesis simplificadas, da directamente, paracada sección de conductor:

La corriente asignada del dispositivo, que asegura la protección contra lassobrecargas,

Las longitudes máximas de conductores protegidos contra contactosindirectos,

Las longitudes admisibles, teniendo en cuenta las caídas de tensión.

En realidad, estas tablas están confeccionadas con los resultados de los cálculosobtenidos al aplicar los métodos de composición y convencional.

Este método permite además determinar las características de un circuito queforma parte de una instalación ya existente cuyas características no se conocensuficientemente. Se aplica directamente a las instalaciones BT, y con coeficientescorrectores, si la tensión no es 230/400 V.

4.2.4 El método de las impedancias

Permite calcular las corrientes de defecto en cualquier punto de una instalación,con una buena precisión. Consiste en sumar separadamente las diferentesresistencias y reactancias de la red, después también los generadores, hasta elpunto considerado, calculando también la impedancia correspondiente. La Icc seobtiene aplicando la ley de Ohm:

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Para aplicar este método es imprescindible conocer todas las características delos diferentes elementos de la red de defecto (fuentes y conductores).

4.3 Desarrollo de los cálculos

Debido a la topología radial del sistema, las garantías y versatilidad del métodopara el desarrollo de este trabajo, se utilizo el Método de la Impedancias comoherramienta de desarrollo. Y a partir de este, se deben seguir las siguientesconsideraciones que van a permitir obtener muy buenos resultados:

La red considerada es radial y su tensión nominal está comprendida entre labaja tensión y la alta tensión.

Durante el cortocircuito, el número de fases afectadas no se modifica: undefecto trifásico sigue siendo trifásico.

Los reguladores o conmutadores de tomas de los transformadores se suponensituados en posición intermedia (en el caso de un cortocircuito alejado de losalternadores, podemos ignorar las posiciones reales de los conmutadores detomas de los transformadores).

No se tienen en cuenta las resistencias del arco.

Se desprecian la naturaleza capacitiva de las líneas.

Se desprecian las corrientes de carga.

Se tienen en cuenta todas las impedancias homo-polares.

Se despreciaron las contribuciones de motores o grupo de motores deinducción y sincrónicos con potencia menor a 50 HP, considerando sólo losmotores más grandes que operan normalmente en el edificio.

Las tensiones de las máquinas rotativas y fuentes de suministro se asumieroncon un valor igual a la tensión nominal del sistema. Se usaron las reactanciassubtransitorias de las máquinas.

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

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El principio de este método está basado en determinar las corrientes decortocircuito a partir de la impedancia que representa el «circuito» recorrido por lacorriente del defecto. Esta impedancia se calcula una vez se han totalizadoseparadamente las diferentes resistencias y reactancias del circuito del defecto,incluida la fuente de alimentación, hasta el punto considerado.

4.3.1 Elementos del sistema

4.3.1. 1 Impedancias de la red

Las impedancias de la red aguas arriba en la mayor parte de los cálculos no se vamás allá del punto de suministro de energía. El conocimiento de la red aguasarriba se limita generalmente a las indicaciones facilitadas por la compañíadistribuidora, es decir, únicamente a la potencia de corto-circuito Scc (en MVA) ola corriente de corto circuito Icc en el punto de conexión a la red.

La impedancia equivalente a la red aguas arriba es:

Siendo U la tensión línea de la red, en vacío.

4.3.1.2 Impedancia interna del transformador

Esta impedancia se calcula a partir de la tensión de cortocircuito Ucc expresadaen %, este dato es fácilmente observable en los datos de placa del Transformador.

4.3.1.3 Impedancia de las líneas de baja tensión

La impedancia de las líneas ZL depende de sus componentes, resistencia yreactancia unitarias, y de su longitud. Fundamentalmente se usa un sólo tipo decable para la alimentación de tableros y motores de la planta. Este es el cable decobre con aislamiento THW, en su gran mayoría en ductos no magnéticos, Setomaron los Valores R y X a partir de las tablas de especificaciones deconductores de la empresa Colombiana Centelsa S.A (ver tabla1) [14].

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2

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Tabla Nº1 Valores conductores centelsa

Tabla Nº2 Valores resistencia y reactancia para cables ACSR

4.3.1.4 Motores:

En la Planta de Comestibles La Rosa existen en su gran mayoría motoresSíncronos de diferentes tamaños y potencia, pero para el presente estudio sólo seconsideraron los motores de potencia mayor a 50 HP y de operación normal, yaque a partir de tal potencia se convierten en generadores que se encargaran dealimentar el fallo. Los motores considerados fueron los de los Compresores de de

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aire, la red contra Incendio, Compresores de Amoniaco, Molino de wafer, elascensor Othys y los motores de la sección de mezclas. El valor de reactanciaasumida para cada uno de estos motores se obtuvo de los estándares IEEE [7], [8].

Nº LINEA MOTOR MARCA POT.(HP) POT (KW) V I nnal rpm fpNº

POL

1 1 MEZCLADOR SASIB FIMET 100/134 99,9238 440 156 1775/865 0,92 4

2 2 AGITADOR MEZ. APV BROOK CROM. 75/150 111,8550 440 200 1760/870 0,9 4

3 4 AGITADOR MEZ. B.P BROOK HANSEL 70 52,1990 440 86 1720/875 0,91 4

4 WAF MOLINO 5 ROD. WAF BROWN BOVERI 65 48,4705 440 168 1170 0,87 4

5 SIN RED CONTRA INC. B1 SIEMENS 70 52,1990 440 85 1764 0,87 4

6 SIN RED CONTRA INC. B2 SIEMENS 70 52,1990 440 85 1764 0,87 4

7 SIN COMPRESOR AMO. 1 RAM 100/75 74,5700 440 256 3545/2950 0,9 2

8 SIN COMPRESOR AMO. 2 RAM 100/75 74,5700 440 256 3545/2951 0,9 2

9 SIN COMPRESOR AMO. 3 RAM 100/75 74,5700 440 256 3545/2952 0,9 2

10 SIN COMPRE. ATLAS aire SIEMENS 198 147,6486 440 230 3580 0,9 2

11 SIN COMPRE. ATLAS aire SIEMENS 198 147,6486 440 230 3580 0,9 2

12 SIN ASCENSOR OTHIS IMPERIAL 50 37,2850 440 138 1760 0,9 4

Tabla Nº3 Motores con potencias mayores a 50 HP

4.4 Resultados

Se deben establecer pautas que direccionen el análisis en una sola dirección,para lograr esto se hallan los valores bases del sistema de la siguiente manera:

MVAPB 10)

base

baseB

V

KVAI

*3) ! "

base

baseB

MVA

VZ

2

)

Con los cuales se determinaron los datos que entraron a alimentar a Neplan, todose basa en información obtenida a partir del método de las impedancias, el cualfue la herramienta teórica de desarrollo y a partir de donde nacen muchos de losdatos que se implementan en el software.

Con la ayuda del estandard 141-1993¨Red Book¨ y estandard 399-1990 (anexo B)Brown Book, se procede a establecer las Reactancias subtransitoria Xd”,transitoria X’ y la Sincrónica Xd, las cuales son requeridas para ser cargados enNeplan, además con la ayuda de un analizador de redes, de marca CIRCUTOR,se realizaron durante varios meses una serie de mediciones que permitierondeterminar la demanda promedio de cada una de las cargas citadas, junto a las

#(

variaciones de tensión, corriente, factor de potencia, energía consumida, entreotras. Cuenta con unas pinzas de corriente con un rango de medición hasta de2000 A, caimanes para medir tensión hasta un rango máximo de 500V, y una seriede paquetes de software para realizar análisis de Armónicos, disturbios en la red,entre otras. Después de ser tomados los datos, se procede a establecercomunicación con el computador y a descargar los datos que fueron tomados, pormedio del software Power Vision 1.7. Por medio de estos se puede observar lashoras críticas de la variación en consumo cargas.

Ahora, las siguientes tablas tomadas del estándar de la IEEE permitieron obtenerlas reactancias de los motores síncronos. Para comenzar, se obtiene la reactanciasubtransitoria

TablaTa

Tabla Nº 4 Valores típicos de las impedancias de los motores y rangos de potenciausados cuando no se tiene valores exactos [7]

Por medio de la tabla anterior, se obtiene el valor de dX ¨ en P.U

#$

%&'

()S

MVAX d

10*15,0¨

Como los motores que se tienen en la planta están en el rango de 2 a 6 polos, se

toma dX ¨ =0,15, como la Sb = 10 MVA, y S es la potencia en MVA del motor.

#)

Tabla Nº5 multiplicadores de las reactancias de las maquinas rotativas [8]

A partir de dX ¨ , que se acaba de obtener y tomando como soporte la tabla Nº5 se

procede a hallar dX

dd XX ¨*5.1)

INEA MOTOR MVA X¨d X¨d=X´d X=1,5*X¨d1 MEZCLADOR SASIB 0,0999 15,01 15,01 22,5171622 MEZCLADOR APV 0,1119 13,41 13,41 20,11533134 MEZCLADOR B.P 0,0522 28,74 28,74 43,1042815

WAFER MOLINO 5 RODILLOS WAFER 0,0485 30,95 30,95 46,4199954SERV. GRAL RED CONTRA INCENDIOS B1 0,0522 28,74 28,74 43,1042815SERV. GRAL RED CONTRA INCENDIOS B2 0,0522 28,74 28,74 43,1042815SERV. GRAL COMPRESOR AMONIACO 1 0,0746 20,12 20,12 30,172997SERV. GRAL COMPRESOR AMONIACO 2 0,0746 20,12 20,12 30,172997SERV. GRAL COMPRESOR AMONIACO 3 0,0746 20,12 20,12 30,172997SERV. GRAL COMPRE. ATLAS aire 0,1476 10,16 10,16 15,2388874SERV. GRAL COMPRE. ATLAS aire 0,1476 10,16 10,16 15,2388874

SERV. GRAL ASCENSOR OTHIS 0,0373 40,23 40,23 60,345994

Tabla Nº6 Valores reactancias motores comestibles La Rosa

Con estos datos se alimenta los motores síncronos de la red de neplan, y se correel flujo de carga (ver figura 13),

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Figura 13. Flujo de carga- simulación comestible La Rosa

* + , - . /-0 - 1 2 3 4 5 - 6 7 8 9 1 : /- ;8 < + = , >1 : 6 ;< + ? ? 7 ;< + ? ?

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Tabla Nº7 Resultados flujo de carga-sin motores presentes

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Ahora, utilizando el método ANSI C37.10, que realiza el cálculo según la normaANSI/IEEE C37.010-1979, este ajusta por definición el voltaje de pre-falla en elnodo bajo falla a V0k= Eoper. , el cual es entrado por el usuario (ver figura 14).

Figura 14. Cortocircuito- simulación Comestibles La Rosa sin motores conectados

Los resultados que se obtuvieron están consignados en la tabla Nº 8, que semuestra a continuación.

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Tabla Nº8 Resultados simulación cortocircuito triásico sin motores

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En la tabla 8, se muestra el resultado de los fallos registrados en los diferentesnodos del sistema, en color amarillo se resaltan los más significativos, el mayor deellos se presento en el barraje de la subestación de 440 V, con un valor 31,8 kA,este es un valor muy alto, pero que es observable por la protección, según semuestra la corriente de interrupción en la tabla, es la misma. Los elementos que lesiguen en criticidad, son los transformadores de 13, 2 kV/440 V, que seencuentran en paralelo en la subestación de 1,6 MVA y 1,2 MVArespectivamente, lo que nos muestra que en general la subestación de 440V, esun punto crítico.

Ahora, se procede a darle entrada a los 12 motores sincrónicos con potenciasmayores a 50HP que se tienen en la planta. El flujo de carga nos muestra losiguiente:

Tabla Nº9 Resultados flujo de carga- motores presentes

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Se observa claramente que la red trabaja en operaciones normales con las cargasadicionales que fueron metidas (motores), por lo que se procede a realizar lasimulación de corto circuito, se quiere analizar que tanto influyen estas maquinassíncronas en las corrientes de corto circuito.

Figura 15. Cortocircuito- simulación Comestibles La Rosa con motoresconectados

Figura 16. Datos cortocircuito- Comestibles La Rosa con motores conectados

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Tabla Nº10 Resultados simulación cortocircuito triásico con motores

En la tabla Nº 10, se observa claramente lo que representan las maquinasrotativas para un sistema, las condiciones actuales son muy diferentes a las quese observaron en la tabla Nº 8, de la primera simulación. Como se puede ver en la

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tabla anterior, los datos resaltados en color amarillo, las corrientes máximas defalla se siguen presentando a nivel del barraje 6, subestación eléctrica 440V, peroen una magnitud mucho mayor, esta vez Isc = 247,401 kA en dicho barraje, dichoaumento se ve influenciado claramente por los motores, pero en especial por elmotor del molino de recorte de la línea de galletas wafer. Los datos obtenidos pormedio del análisis teórico sobre este punto, se obtuvo lo siguiente:

BARRAJE 6-S/E 440V CON LOS 2 TRAFOS EN PARALELO

Resultado cercano al obtenido simulando el sistema sin los motores, ya que elvalor de corto circuito más alto se dio en este mimo barraje.

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5. Capitulo 5

Conclusiones

A partir del presente proyecto de grado, tomando como base fundamental elanálisis teórico-práctico realizado al sistema eléctrico de Comestibles La Rosa, seprocede a concluir:

La implementación y mejora de todo proyecto eléctrico dentro deComestibles la Rosa y de cualquier planta industrial debe ir acompañado deun completo análisis de corto circuito, que permita tener un sistema deprotecciones que responda a cualquier falla. En comestibles La Rosa sehace necesario de manera urgente la revisión general del sistema deprotecciones, ya que es evidente las falencias actuales del mismo.

Al confrontar el análisis teórico práctico con lo implementado en Neplan, esclara la convergencia que se tiene. El nodo con mayores corrientes de fallaes la subestación eléctrica de 440V, todo debido a la cantidad de cargavinculada y a la cercanía que presenta con las fuentes que llegan aalimentar las corrientes de cortocircuito.

Con los motores síncronos se evidencia la grave influencia que tienensobre la red misma. Cuando se presenta una caída de voltaje en susdevanados, debido a una falla por sobrecorriente en otro elemento cercano,da a su vez como resultado el incremento de las corrientes de losdevanados, que entrarían a alimentar la falla inicial, es decir se comportancomo unos generadores, todos aportan, ya sea en mayor o menor escala, yevidencian la necesidad de rediseñar el sistema de protecciones deComestibles La Rosa.

Se hace necesario la actualización de un nuevo diagrama unifilar delsistema, que permita conocer la situación actual, con las protecciones quelo acompañan, la red que suministra el servicio, y los demás elementosque lo conforman, ya que este trabajo evidencia que existan cargasespeciales que no han sido tenidos en cuenta.

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6. Bibliografía

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[2] NESTLE, technical instruction: TM-217.5 Guide to the Incorporation ofElectrical Safety in Machine and Installations.

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[4] NORMA NTC 2050, Código Eléctrico Colombiano.

[5] IEEE, Standard 399-1990 (anexo B) Brown Book.

[6] IEEE, Standard 141-1993¨Red Book¨

[7] IEEE, Standard 80

[8] NEPLAN 5.24, Software y Manual de funciones.

[9] MERLIN GERIN, Calculo de Corrientes de corto circuito, Revista TécnicaN°158

[10] EMPRESAS PUBLICAS DE MEDELLIN ESP, cálculo de niveles de cortocircuito en el lado secundario de transformadores

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[11] STEVENSON W. y GRAINGER J, “Análisis de sistemas de potencia”. McGraw Hill primera edición, México DF. 1996.

[12] CENTELSA, Cables y tecnología, Revista Técnica marzo 2005