Cálculo de Corrientes de Cortocircuito

La intensidad de cortocircuito (Icc) es la corriente elevada que surge cuando se produce un contacto accidental entre conductores de diferente potencial (fase-fase, fase-neutro o fase-tierra). Este fenómeno ocurre debido a la drástica reducción de la impedancia del circuito (Z), que combina resistencia (R) y reactancia (X).

La corriente de cortocircuito Icc es el valor de la corriente que circula por el circuito durante un cortocircuito. Su cálculo se obtiene según la Ley de Ohm (Icc = V/Z), donde V es la tensión de la fuente de alimentación. Esta corriente puede ser máxima cerca del transformador (impedancia baja) o mínima en el extremo de la línea (impedancia alta).

La corriente de cortocircuito se produce por:
– Contacto directo entre conductores
– Deterioro de aislamientos
– Fallos en equipos eléctricos

Los principales riesgos en un cortocircuito son daños térmicos y mecánicos en las instalaciones, así como peligro de incendios y explosiones.

Cuando se produce el cortocircuito se requiere de dispositivos de protección, como los interruptores automáticos o los fusibles que actúen rápidamente. Los tiempos de intervención deben ser inferiores a los que causarían daños irreparables.

El cálculo de la corriente de cortocircuito (Icc) sirve para seleccionar las protecciones adecuadas y garantizar que los conductores resistan corrientes extremas durante fallos.

La Icc se obtiene con la Ley de Ohm, es decir, el cociente entre la tensión de la alimentación (en voltios, V) y la impedancia del circuito de defecto Zcc, que incluye la resistencia (R) y la reactancia (X) del circuito hasta el punto de cortocircuito.

Hay 2 métodos principales para calcular Icc:

● Con datos de la red de baja tensión (BT): se asume que la potencia en el lado de alta tensión (AT) del transformador es infinita. La impedancia total del circuito (Zcc) se calcula como la suma de las impedancias del transformador (Z_T) y las líneas (Z_L), es decir, Zcc = Z_T + Z_L. Para obtener Icc se aplica la Ley de Ohm considerando la tensión a la salida del transformador.

● Sin datos de la red de baja tensión (BT): es el método simplificado basado en el anexo 3 de la guía técnica del REBT. Solo se necesitan los datos de las líneas desde el origen de la instalación (CGP o CPM) hasta el punto de cortocircuito. Se calcula la resistencia de las líneas (R_L) y se aplica la fórmula de la Ley de Ohm para calcular Icc considerando un valor del 80% de la tensión de la red.

Un cortocircuito en un enchufe es un fallo eléctrico que ocurre cuando los conductores internos del enchufe, generalmente el cable de fase y el de neutro, entran en contacto debido a un mal aislamiento, conexiones defectuosas o daños en el cableado.

Este contacto directo crea un camino de muy baja resistencia, provocando una corriente extremadamente alta en el circuito y superando ampliamente los valores normales de operación.

El cortocircuito en el enchufe se produce por las siguientes causas comunes:
– Cables dañados: desgaste del aislamiento de los cables, que permite que los conductores de fase y neutro se toquen.
– Conexiones flojas o mal hechas: tornillos sueltos o empalmes defectuosos en el enchufe.
– Humedad o líquidos: la presencia de agua en el enchufe puede crear un puente conductor entre fase y neutro.

El cortocircuito produce chispas o arcos eléctricos que pueden causar quemaduras o incendios. Además, los cables y componentes del enchufe pueden derretirse o quemarse. Si los dispositivos de protección están bien dimensionados (interruptores automáticos o fusibles), actuarán para cortar la corriente, provocando un apagón en el circuito afectado.

La corriente permanente de cortocircuito (Ik) representa el valor eficaz estable de corriente que persiste tras desaparecer los fenómenos transitorios iniciales de un cortocircuito. Su cálculo y análisis son esenciales para garantizar la seguridad y funcionalidad de las instalaciones eléctricas.

● Características principales:

– Estabilización: tras un cortocircuito, la corriente supera una fase transitoria breve (influenciada por R y X del circuito) antes de alcanzar su valor permanente Ik.
– Dependencia de la impedancia (Z): la magnitud de Ik depende de la impedancia del circuito.
* Cortocircuitos cercanos al transformador: baja Z → Ik elevada.
* Cortocircuitos alejados: alta Z (por longitud de línea) → Ik reducida.
– Base para el diseño: determina la capacidad de componentes (conductores y protecciones) para resistir esfuerzos térmicos y mecánicos durante el fallo.

● Aplicaciones prácticas en BT:

1º) Selección de protecciones: los dispositivos de protección deben tener un Poder de Corte (PdC) suficiente para interrumpir Ik de manera segura.
2º) Diseño de instalaciones: los conductores y equipos deben dimensionarse para soportar la Ik sin sobrecalentarse ni sufrir daños.

La corriente de cortocircuito (Icc) es un flujo masivo de electricidad que ocurre cuando conductores a diferente potencial entran en contacto accidental.

Puede alcanzar valores muy altos en un tiempo muy breve, representando un riesgo significativo para las instalaciones eléctricas, los equipos conectados y la seguridad de las personas. Su magnitud depende críticamente de la impedancia del circuito (Z = R + X):

● Factores determinantes:
1º) Ubicación del fallo:
– Cerca del transformador: Z mínima → Icc máxima (decenas de kA).
– Lejos del transformador: Z alta (por longitud de conductores) → Icc reducida.
2º) Tipos de cortocircuito:
– Tripolar (3 fases): mayor Icc.
– Bipolar (2 fases): Icc intermedia.
– Unipolar (fase-tierra): más frecuente, con Icc variable.

● Comportamiento dinámico:
– Régimen transitorio inicial: incluye componente continua que eleva el valor pico (Is). Genera esfuerzos electromecánicos en conductores.
– Estabilización: la Icc se reduce al valor permanente (Ik) tras los transitorios.

● Protecciones requeridas:
– Los dispositivos deben soportar e interrumpir tanto Is como Ik.
– Se usan interruptores automáticos y fusibles necesitando adecuado Poder de Corte.

Durante un cortocircuito real en una instalación eléctrica, el voltaje en el punto del fallo tiende a caer bruscamente, acercándose a cero, debido a la reducción drástica de la impedancia en ese punto.

Entonces, ¿Qué pasa con el voltaje cuando hay un cortocircuito? El comportamiento del voltaje dependerá del punto a analizar:

● En el punto de cortocircuito: la impedancia se aproxima a cero, causando una corriente Icc extremadamente alta. Si se considera una impedancia de contacto nula (contacto franco), los conductores en cortocircuito se pondrán exactamente a la misma tensión, lo que indicará que la diferencia de tensión o voltaje en el punto de cortocircuito será cero

● Aguas abajo del punto de cortocircuito: aguas abajo del cortocircuito, el voltaje también tenderá a disminuir significativamente, siendo nulo si consideramos un cortocircuito franco.

● Aguas arriba del punto de cortocircuito: la caída de tensión se distribuirá a lo largo del cable, disminuyendo gradualmente desde el transformador hasta el punto de cortocircuito. En consecuencia, la tensión en cualquier punto intermedio del cable será menor que la tensión del transformador y mayor que la tensión en el punto de cortocircuito.

Un cortocircuito se genera cuando hay un contacto accidental entre conductores de diferente tensión.

El cortocircuito se puede generar en cualquier punto de una instalación eléctrica, ya sea cerca del transformador (donde la corriente es máxima debido a la baja impedancia) o en el extremo de una línea (donde la corriente es menor debido a la mayor impedancia). En cualquier caso, se produce una corriente extremadamente elevada.

Las causas de un cortocircuito son las siguientes:
– Fallos en el aislamiento: el deterioro o daño en el aislamiento de los cables puede permitir que conductores de diferente tensión entren en contacto directo.
– Errores humanos: conexiones incorrectas durante la instalación o mantenimiento de equipos eléctricos pueden provocar cortocircuitos.
– Condiciones ambientales: la humedad, la presencia de polvo o la contaminación pueden reducir la resistencia del aislamiento, facilitando el contacto entre conductores.
– Sobrecargas: una corriente excesiva en un circuito puede sobrecalentar los conductores, dañando el aislamiento y provocando un cortocircuito.
– Defectos en equipos: fallos internos en dispositivos eléctricos, como transformadores o motores, pueden generar cortocircuitos.

Un cortocircuito provoca una serie de efectos graves en la instalación eléctrica, los equipos conectados y la seguridad de las personas. Los daños que puede ocasionar un cortocircuito son principalmente los siguientes:
● Daños en equipos eléctricos: pueden quemar cables, interruptores, transformadores y otros componentes, resultando en reparaciones caras o la necesidad de reemplazar equipos.
● Incendios: el calor generado por la alta corriente puede inflamar materiales cercanos, como aislantes, plásticos o madera, provocando incendios.
● Riesgos para las personas: pueden causar descargas eléctricas, explosiones o la proyección de partículas incandescentes, representando un peligro directo para las personas que se encuentren cerca del fallo.
● Interrupciones del servicio eléctrico: los dispositivos de protección (como interruptores automáticos o fusibles) actúan para interrumpir la corriente de cortocircuito, provocando la desconexión del circuito afectado.
● Esfuerzos electrodinámicos: se generan fuerzas electromagnéticas significativas entre los conductores, pudiendo deformar o dañar los componentes físicos de la instalación, como barras de distribución o soportes de cables.
● Pérdidas económicas: además de los daños directos a los equipos, pueden provocar paradas no planificadas en procesos industriales, generando pérdidas de productividad y costes adicionales.

● Definición y causas:
– Cortocircuito: contacto accidental entre conductores a diferente tensión (fase-neutro, fase-fase o fase-tierra) por fallos de aislamiento, errores humanos, condiciones ambientales adversas o defectos en equipos.
– Sobrecarga: exceso de corriente prolongado en un circuito, sin contacto entre conductores, causado por conexión excesiva de dispositivos, equipos con alto consumo o diseño inadecuado.
● Características técnicas:
– Cortocircuito: corriente extremadamente alta (decenas de veces la nominal) que genera fuerzas magnéticas y calor intenso. Requiere actuación inmediata de protecciones.
– Sobrecarga: corriente elevada (1,1 a 10 veces la nominal). Produce calor progresivo en conductores que puede persistir antes de activar las protecciones.
● Efectos y consecuencias:
– Cortocircuito: produce daños inmediatos (quemaduras, explosiones). Hay alto riesgo de incendio y electrocución. Se produce una interrupción instantánea del servicio.
– Sobrecarga: produce deterioro gradual de aislamientos y componentes. Hay riesgo de incendio si no se corrige. Se produce la interrupción eventual del servicio.

Como conclusión, ambos fallos requieren protecciones específicas (interruptores magnetotérmicos y fusibles para sobrecargas y cortocircuitos) y diseño adecuado de instalaciones.

Los métodos más comunes para detectar un cortocircuito, son:

● Síntomas visibles o perceptibles:
– Chispas o arcos eléctricos: si se observan chispas o destellos en un circuito, es probable que haya un cortocircuito.
– Humo u olor a quemado: el calor extremo puede dañar cables y componentes, generando humo y olor a plástico quemado.
– Disparo de protecciones: si los dispositivos de protección, como interruptores automáticos o fusibles, se disparan repetidamente, es un indicio de que puede haber un cortocircuito.

● Uso de herramientas de medición:
– Multímetro (tester): se utiliza en modo de medición de continuidad o resistencia (ohmímetro). Se puede realizar a la instalación o a un equipo eléctrico.
1º) Cortar alimentación del circuito o desconectar el dispositivo sospechoso.
2º) Colocar las puntas del multímetro en los cables a verificar (entre fase y neutro, fase y tierra, etc.).
3º) Si la resistencia se aproxima a 0 Ω confirma el cortocircuito.
– Megóhmetro (medidor de aislamiento): se usa para medir la resistencia de aislamiento de los cables y detectar fallos en el aislamiento.
1º) Desconectar la alimentación.
2º) Aplicar tensión de prueba (500V/1000V) entre conductores.
3º) Una resistencia de aislamiento muy baja sugiere fallo inminente.

La corriente de cortocircuito presenta un comportamiento asimétrico inicial debido a la superposición de una componente continua sobre la corriente alterna. Esta asimetría depende de:

● Naturaleza inductiva del circuito: la relación X/R determina la duración del transitorio:
– Alta X/R → Componente continua persiste más tiempo.
– Baja X/R → Decaimiento rápido.

● Momento del fallo en el ciclo de tensión: valor de la tensión en ese instante:
– Tensión en máximo (90°): Corriente simétrica desde el inicio (sin componente continua).
– Tensión en cero (0°): Componente continua máxima, generando asimetría y mayor valor de cresta (Is).

● Corriente máxima asimétrica (Is): depende de un factor K que varía entre 1 (simetría pura) y 2 (asimetría máxima), según X/R. La fórmula es: Is = K · √2 · Ik'' (Ik'' = corriente simétrica inicial).

Se observa que la intensidad Is puede duplicar el valor de Ik'', exigiendo dispositivos de protección con mayor capacidad de interrupción. Por ello, el diseño de instalaciones, en especial para cortocircuitos en las cercanías de un transformador, debe considerar este fenómeno para garantizar suficiente resistencia mecánica y térmica ante esfuerzos transitorios.

Los cortocircuitos se clasifican según la naturaleza del fallo y los conductores involucrados. Su estudio es fundamental para diseñar protecciones adecuadas debido a sus riesgos específicos:

1º) Cortocircuito tripolar: contacto simultáneo entre las 3 fases. Genera las corrientes más altas (es el caso de referencia para los cálculos).
2º) Cortocircuito bipolar sin contacto a tierra: contacto directo entre 2 fases. Genera corriente elevada pero menor que el tripolar. No produce tensiones de defecto en masas.
3º) Cortocircuito bipolar con contacto a tierra: 2 fases en contacto mutuo y con tierra. Provoca riesgo de tensiones peligrosas en masas metálicas, representando un peligro para personas y equipos.
4º) Cortocircuito unipolar a tierra: contacto de una fase con tierra. Es el cortocircuito más común. Determina las tensiones de defecto (Vd) en las masas para diseñar protecciones contra contactos indirectos. Su valor depende de la impedancia del circuito y de la resistencia del contacto a tierra.
5º) Cortocircuito doble a tierra: segundo defecto a tierra en una instalación ya afectada por un primer cortocircuito a tierra. Es específico para sistemas IT (neutro aislado o conectado a tierra a través de una impedancia). Es menos frecuente, pero esencial para diseñar protecciones en sistemas IT.

La corriente de cortocircuito (I_cc) en transformadores, en los bornes de salida del secundario, se calcula como el cociente entre la corriente nominal secundaria (I_2n) y la tensión porcentual de cortocircuito (u_cc) y multiplicando este cociente por 100:

I_cc = (I_2n / u_cc) · 100

La corriente nominal secundaria I_2n se obtiene de los datos de la potencia aparente S y de la tensión nominal secundaria V_2n del transformador, siendo I_2n = S / (√3 · V_2n). Asimismo, la tensión porcentual de cortocircuito u_cc es un parámetro que también se indica en los datos del transformador, obtenido cuando se le realiza el ensayo en cortocircuito al transformador.

El cálculo de la corriente de cortocircuito es fundamental para:
– Seleccionar los dispositivos de protección: los interruptores automáticos y los fusibles deben tener un poder de corte o capacidad de interrupción suficiente para cortar la corriente de cortocircuito máxima.
– Dimensionar los cables: los cables deben tener una sección adecuada para soportar la corriente de cortocircuito que se pueda producir en cualquier punto sin sobrecalentarse.
– Garantizar la seguridad de las instalaciones: un cálculo exacto de la corriente de cortocircuito ayuda a prevenir daños en los equipos y riesgos para las personas.

Las corrientes de falla son corrientes anormalmente altas, causadas por cortocircuitos, defectos a tierra o arcos eléctricos. Por tanto, los cortocircuitos (contacto entre conductores) son un tipo específico dentro de estas anomalías eléctricas.

Las características de las corrientes de falla son:
– Magnitud elevada: valores de varias veces la corriente nominal del circuito, según tipo de falla e impedancia del sistema.
– Duración breve: interrumpidas rápidamente por protecciones (interruptores automáticos o fusibles).
– Efectos destructivos: generan calor intenso, fuerzas electromagnéticas y arcos eléctricos que dañan equipos.

Los tipos de corrientes de falla son:
● Corrientes de cortocircuito: contacto accidental entre conductores de diferente tensión (fase-fase, fase-neutro). Son las más intensas y peligrosas.
● Corrientes de defecto a tierra: contacto de fase con tierra. Su valor depende del sistema de puesta a neutro y masas: son muy bajas en un primer defecto en el esquema IT, bajas en un esquema TT y muy altas en el esquema TN o en un segundo defecto en el esquema IT.
● Corrientes de arco eléctrico: flujo a través de aire ionizado. Son de menor intensidad pero igualmente peligroso por calor/radiación.