manual de ingenieria fuerza_corto_circuito 11_27.pdf
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MANUAL. DE PROCEDIMIENTOSDE INGENIERA DE DISEO
INGENIERA ELCTRICA
ELABORO: SUPTCIA. GRAL DE INGRIA. ELECTROMECNICA REV:0 SEP 1 1990
DESCRIPCIN
L
HOJA 11 DE 294
L / I!. FUERZA
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GIPy i
IVIAIMUAL OE PROCEDIIV1IEI\ITOSOE IfMGEKllERIA DE DISEIMO
INGENIERA ELCTRICA
ELABORO: SUPTCIA. GRAL. DE INGRIA. ELECTROMECNICA REU:0 SEP 1 1990
DESCRIPCIN
L
HOJA 12 DE 294
-i
!_ / II. FUERZA/
L / II. 1 . PROCEDirVllENTO DE CALCULO PARA CORTO CIRCUITO
L / 11.1 . 1 . Corto Circuito Trifsico.
Para la elaboracin de este clculo se utiliza el mtodo de los MVA's, quees el ms adecuado a desarrollar en la etapa de diseo.
Para calcular las corrientes de falla por el mtodo de los MVA's se realizanlos siguientes pasos:
L / 11.1 .1 .1 Preparar un Diagrama Unifilar del Sistema en Estudio,mostrando los siguientes elementos con sus datosrespectivos.
(01) La contribucin de la fuente de alimentacin al corto circuito en MVA.
(02) La reactancia subtransitoria X"d y la capacidad en MVA de los genera-dores.
(03) La potencia en HP y reactancia de los motores en alta tensin.
(04) Motores en baja tensin.
Se agrupan los motores mayores de 50 HP, indicando su suma en HP, ascomo su reactancia equivalente (norma ANS C-37.13, 1981; STD. lEEE-141-1986). Se agrupan los motores menores de 50 HP, indicando su suma en HP,asi como su reactancia equivalente (norma ANS C-37.13, 1981; STD. IEEE-141-1986).
(05) Las reactancias, capacidad en MVA y relacin de tensin de transfor-madores.
(06) La reactancia y capacidad en MVA de reactores.
(07) La reactancia, longitud y tensin de operacin de cables.
(08J Se desprecian las reactancias de buses, transformadores de corrientee interruptores.
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MANUAL. DE PROCEDIMIENTOSDE INGENIERA DE DISEO
INGENIERA ELCTRICA
ELABORO: SUPTCIA. GRAL DE INGRIA. ELECTROMECNICA REV: 0 SEP I 199(
DESCRIPCIN
L
|| HOJA 13 DE 294
L / II.1 .1 .2. Datos de los elementos del sistema.i
Se deber obtener del fabricante los valores especficos (reactancias, resis-tencias, potencia, tensin, etc.) de los diferentes equipos y elementos del siste-ma, cuando no sea posible obtenerlos se emplearn los valores que se dan en lastablas No. L / 11.1.3.1., L / II. 1.3. 2.,L / 1 1 1 3 5 v L / 1 1 1 3 6
L / 11.1.3.3.. L / 11.1.3.4. ,
L / 11.1 .1 .3. Conversin de Reactancias a su Potencia de Corto Cir-cuito.
Todas las reactancias de los diferentes elementos debern convertirse a supotencia de aportacin al corto circuito, de acuerdo a las siguientes fr-mulas:
( K V ) 2MVACC =
MVACC = -ir-MVA
xr
MVACC =
Donde:
MVACC =KV"7 _
puMVA
MVA
Potencia de corto circuito del elemento en MVA.Tensin a la cual opera el elemento en KV.Impedancia del elemento en Ohms.Reactancia del elemento en por unidad.Impedancia del elemento en por unidad.Potencia nominal del elemento en MVA.
Obsrvese que a diferencia de otros mtodos, hasta este punto, el mtodode los MVA's no requiere de una base comn en MVA o KVA, y tam-poco es necesario cambiar las irtipedancias a otra base. Con estos valoresse elabora el diagrama de potencias (bloques) de corto circuito, ver figuraL / II.1.1.A.
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IV! ANUAL DE PROCEDIMIENTOSDE INGENIERA DE DISEO
INGENIERA ELCTRICAELABORO: SUPTCIA. GRAL. DEINGRIA. ELECTROMECNICA BEV: 0 SEP 1 1990
DESCRIPCIN
L
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L / 11.1 .1 .4. Simplificacin de los Diagramas de Potencias de CortoCircuito.
Se combinan las potencias de C.C. para reducirlas a una potencia equiva-lente en el punto de falla seleccionado, de acuerdo a las reglas siguientes (ver fi-gura L / II.1.1.B.):
Elementos en serie se combinan como si fueran resistencias en paralelo.
MVA, x MVA2MVA12 = - (MVA)MVA, + MVA2
Elementos en paralelo se combinan como si fueran resistencias en serie.
MVA12 = MVA, + MVA2 (MVA)
Cuando los elementos se encuentran en una combinacin Delta y se deseaconvertir a una Estrella; se aplica la siguiente regla:
Si se designan como "Y" los MVA en conexin Estrella y "D" los MVA enconexin Delta, la conversin se obtiene con las relaciones que se indican a conti-nuacin.
YY _
Y, =
D ;SD2SD,
Siendo S = (D, D2) + (D2 D3) + (D3 D,)
Esta simplificacin de potencias se realiza para obtener la potencia equiva-lente en el punto de falla o donde se requiera.
L / 11.1 .1 .5. Clculo de la Corriente de Falla.
Para calcular la corriente de corto circuito en e\ punto de falla se aplicarla expresin:
MVACC,
\/3 KV,x 1000
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INGENIERA ELCTRICA
ELABORO: SUPTCIA. GRAL. DE INGR1A. ELECTROMECNICA BEV:0
Donde:
MVA,,, = Potencia de corto circuito equivalente en
SEP 1 1990
DESCRIPCIN
L
HOJA 15 DE 294
*
el punto de falla enMVA.
KV, = Tensin en el punto de falla en KV.lcc = Corriente de corto circuito en el punto de falla en Amperes.
L / 11.1 .2. Corto Circuito Monofsico.
En este clculo la corriente es afectada por la forma en que se encuentranconectados los neutros del sistema a tierra, ya que representan los puntos de re-torno para la circulacin de las corrientes de secuencia cero, por lo que es necesa-rio considerar este aspecto en la denominada red de secuencia cero, ver figuraL / II.1.2.A.
Para calcular las corrientes de falla se realizan los siguientes pasos:
L / 11.1 .2.1 . Preparar el Diagrama Unifilar del Sistema en Estudio.mostrando los siguientes elementos con sus datosrespectivos.
(01) La contribucin de la fuente de alimentacin al corto circuito en MVA,Y su forma de conexin del neutro a tierra.
(02) La reactancia subtransitoria X"d, la reactancia de secuencia (X0), lacapacidad en MVA de los generadores y su forma de conexin delneutro a tierra.
(03) La potencia en HP, reactancia y forma de conexin del neutro a tierrade los motores en alta tensin.
(04) Motores en baja tensin.Se agrupan los motores mayores de 50 HP, indicando su suma en HP^_ as
como su reactancia equivalente (norma ANS C-37.13, 1981 y STD. IEEE-141-1986). Se agrupan los motores menores de 50 HP, indicando su suma en HP,as como su reactancia equivalente (norma ANS C-37.13, 1981 y STD. IEEE-141-1986).
(05) Las reactancias, capacidad, relacin de tensin y forma de conexindel neutro a tierra de transformadores.
(06) La reactancia y capacidad en MVA de reactores.
(07) Las reactancias, longitud y tensin de operacin de cables.
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MANUAL. DE PROCEDIMIENTOSDE INGENIERA DE DISEO
INGENIERA ELCTRICAELABORO: SUPTCIA. ORAL DE INGRIA. ELECTROMECNICA
DESCRIPCIN
L
REV:0 || SEP 1 1990 HOJA 16 DE 294
(08) Se desprecian las reactancias de buses, transformadores de corrientee interruptores.
L / 11.1 .2.2. Datos de los Elementos del Sistema.
Se procede igual que en el punto L / 11.1.1.2.
L / 11.1 .2.3. Conversin de Reactancias a su Potencia de Corto Cir-cuito.
Se procede igual que en el punto L / 11.1.1.3.Con estos valores en MVA se elaboran los diagramas de secuencia ( + ), ( )
y (0).
L / 11.1 .2.4. Simplificacin de los Diagramas de Potencias de CortoCircuito.
Aplicar punto L / 11.1.1.4.
Esta simplificacin se realiza para obtener la potencia equivalente en el pun-to de falla de las tres redes de secuencia, positiva, negativa y cero, tomando enconsideracin que los MVA ( + ) = MVA ( ) , y que los MVA (0) dependen dela conexin a tierra de los neutros de transformadores, generadores, motores ysistema.
Se interconectan las tres redes de secuencia como se muestra en la figuraL / II.1.2.B. y se combinan las potencias hasta obtener la potencia resul-tante.
t / 11.1 .2.5. Clculo de la Corriente de Falla.
Para calcular la corriente de corto circuito de falla a tierra o monofsica, seaplican las siguientes expresiones:
MVAF0 = 3MVAeq
MVAF0x1000
Donde:
MVAF0MVA^If.KV,
V3 KV,
Potencia de falla a tierra en MVA.Potencia de falla equivalente en MVA.Corriente de falla a tierra en Amperes.Tensin en el punto de falla en KV.
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DESCRIPCIN
L
HOJA 17 DE 294
L / 11.1 .3. Lista de Tablas.
TABLA No.
L / 11.1.3.1.
L / 11.1.3.2.
L / 11.1.3.3.
L / 11.1.3.4.
L / 11.1.3.5.
L / 11.1.3.6.
DESCRIPCIN
Valores Tpicos de reactancias para mquinas giratorias.
Factores de Multiplicacin para Reactancias (Impedancias) demotores de Induccin.
Constantes de Conductores para un Espaciamiento Simtricode 1 ft.
Factor de Espaciamiento de Reactancia XB, en Ohms por1000 ft de Conductor.
Valores Tpicos de Reactancia para Cables Trifsicos, en Ohmspor 1000 ft de Conductor.
Valores Normalizados de Impedancia para TransformadoresTrifsicos.
L / Referencias.
Transactions on Industrial Applications Vol. IA.-10.No. 2 march/april 1974.
ANSI/IEEE STD.-141-1986. Recommended Practice for Electric Power Distribution for In-dustrial Plants.
Norma ANS C-37.10-1979. Application Cuide for AC High-Voltage Circuit Breakers ratedon a Symmetrical Current Basis.
Norma ANS C-37.13-1981. Standard for Low-Voltage AC Power Circuit Breakers used inEnclosures.
L / 11.1 .5. Notas.
Cuando se conozcan todos los datos de los elementos que intervienen enel sistema, se puede utilizar el mtodo de las 3 redes, basado en la norma ANSC-37.10-1979 y STD. IEEE-141-1986, para lo cual, emplee el programa por com-putadora denominado "Cortocto", perteneciente a la S.I.E.
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IVlAtVUAU DE PROCEDIMIENTOSDE INGENIERA DE DISEO
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ACOMETIDA1 OOO MVA
8 KV>10C"
MVA 1ACOMET.
TR- 110 MVA13. 8/4.16 KVZ = 5 .75%
4. 16 KV
MU TR-2A/V\
ZOO HPX= 17%
I. 5 MVA4.16/0.48 KVZ- 5.75%
480 V
MOT. >50HP SMOT. < 50 HPY - 9 R O / Y - 5 > R /r^ ~ c.*j /o A* tO /o
MVA 2TR-1
MVA 4M
4. 16 KV
MVA 3TR-2
480 V
MVA 5M2
MVA 6M3
FIGURA L / II.1.1.A. DIAGRAMA UNIFIL7XR
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HOJA 19 DE 294
a)Fl 4.16 KV
MVA 3
0.48 KV
MVA (546)
b)
IMVA 1-2
F I
[MV
4.16 KV
MVA 4 MVA 3 - (546 )
O MVA2H4+3-(5+6)
4.16 KV
lrr F 1 = MVA9q F 1r (AMP)
KV
FIGURA L / 11.1 .1 .B. SIMPLIFICACIN DE POTENCIAS
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L
HOJA 20 DE 294
'
G E N E R A D O R E S
CONEXIN A TIERRADEL NEUTRO
DIAGRAMA DE SECUENCIACERO
NEUTRO A I S L A D O
NEUTRO SLIDAMENTECONECTADO A TIERRA
X nNEUTRO CONECTADO ATIERRA A TRAVS DEREACTANCIA O RESIS-TENCIA .
(TIERRA)
( T I E R R A )
( T I E R R A )
FIGURA L / II. 1 .2.A. DIAGRAMAS DE SECUENCIA CERO PARAGENERADORES
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( T I E R R A )
_
I T I E R R A )
P N S
( T I E R R A )
P N S
( T I E R R A )
FIGURA L / 11.1 .2.B. DIAGRAMAS DE SECUENCIA CERO PARATRANSFORMADORES
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TABLA L / 11.1.3.1.f
VALORES TPICOS DE REACTANCIAS PARA MAQUINAS GIRATORIAS(EN P.U. DE LOS KVA DE LA MAQUINA)*
X'ri
Turbine generators +2 poies 0.09 0.154 poles 0.15 0.23
Salient-pole generators with damper windings4"12 poles or less 0.16 0.3314 poles or more 0.21 0.33
Synchronous motors6 poles 0.15 0.238-14 poles 0.20 0.3016 poles or more 0.28 0.40
Synchronous condensers+ 0.24 0.37Synchronous converters +
600 V direct current 0.20250 V direct current 0.33
Individual large induction motors,usually above 600 V 0.17
Smaller motors, usually 600 V and below See Table No. L / 11.1.3.2.NOTE: Approximate Synchronous motor kVA bases can be ound from motor horsepower ratings as follows:
0.8 power factor motor kVA base = hp rating1.0 power factor motor kVA base = 0.8 . hp rating
* Use manufacturis specified vales if available.X'd not normally used in short-circuit calculations.
TABLA L / 11.1.3.2.
FACTORES DE MULTIPLICACIN PARA REACTANCIAS(IMPEDANCIAS) DE MOTORES DE INDUCCIN
Type of RotatingMachine
Induction MotorsAll others, 50 hp and aboveAll smaller than 50 hp "
First-CycleNetwork
1.2 X"d*1-.67 X'V
InterruptngNetwork
3.0 X'VNeglect
' or estimate the first cycle network X = 0.20 per unit based on motor rating.or estimate the first-cycle network X = 0.28 per unit based on motor rating.or estimate the interrupting network X = 0.50 per unit based on motor rating.
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TABLA L / 11.1.3.3.
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CONSTANTES DE CONDUCTORES PARA UN ESPACIAMIENTOSIMTRICO DE 1 ft.
a) COBRE
_
Size of Conductor(cmil) . (AWG No.)
1 000 000900 000800 000750 000700 000600 000
500 000450 000400 000350 000300 000250 000
211 600167 800133 100105 50083 69066370
52 63041 74033 10026 25020 80016 510
4/03/02/01/0
12
345678
Resistance Rat 50 C, 60 Hz
(Q/conductor/1000 ft)0.01300.01420.01590.01680.01790.0206
0.02460.02730.03070.03480.04070.0487
0.05740.07240.09110.1150.1450.181
0.2270.2880.3620.4530.5700.720
Reactance XA at 1 ftSpacing, 60 Hz
(Q/conductor/1000 ft)0.07580.07690.07820.07900.08000.0818
0.08390.08540.08670.08830.09020.0922
0.09530.09810.1010.1030.1060.108
0.1110.1130.1160.1210.1230.126
NOTE". For a three-phase circuit the total impedance, une to neutral, isZ = R + j(XA + XB)* Use spacing factors of XB of Table L / 11.1.3.4. for other spacings.
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L
HOJA 24 DE 294
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CONTINUA TABLA L / 11.1.3.3.
b) ACSR
Size of Conductor(cmil) (AWG No.)
Resistance Rat 50 C, 60 Hz
(Q/conductor/1000 ft)Reactance XA at 1 ft
Spacing, 60 Hz(Q/conductor/1000 ft)
11
111
!
I|I
!
;I
:
!
590 000431 000
272 000192 500113 000954 000795 000715 500
636 000556 500477 000397 500336 400266 800
"
4/03/02/01/012
3456 .
0.01290.0144
0.01610.01710.01830.02130.02430.0273
0.03070.0352 i0.03710.04450.05260.0662
0.08350.10520.13300.16740.21200.2670
0.33700.42400.53400.6740
0.06790.0692
0.07040.07120.07190.07380.07440.0756
0.07680.07860.08020.08240.08430.0945
0.10990.11750.12120.12420.12590.1215
0.12510.12400.12590.1273
NOTE: For a three-phase circuit the total mpednnce, une to neutral, isZ = R I (XA +- Xn)' Use spacing tactors of XB of Table L / 11.1.3.4. for other spadngs.
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L
ELABORO: SUPTCIA. GRAL. DE INGRIA. ELECTROMECNICA REV: O SEP I 1990 HOJA 25 OE 294
TABLA L / 11.1.3.4.
FACTOR DE ESPACIAMIENTO DE REACTANCIA XB,EN OHMS POR 1000 ft DE CONDUCTOR
~
Separation (inches)Ifeet) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
012345678
_
_
0.01590.02520.03190.03700.01120.04470.0478
-0.05710.0018001690.02590.03230.03740.04150.0-450
-0.04120.00350.01780.02650.03280.03770.04180.0453
-0.03190.00510.01860.02710.0333003810.04210.0455
-0.02520.00610 01950.02770.03370.0385004240.0458
-0.02010.00800.02030.02820.03410.03880 04270.0460
-0.01590.00930.02110.02880.03460.03920.04300.0463
-0.01240.01060.02180.02930.03500.03950.04330.0466
-0.0093001170.02550.02990 03540.03990.04360.0468
-0.00660.01290.02320.03040.03580.04020 04390.0471
-000420.01390.02390.03090.03620.04050 04420.0473
-0.00200.01490 02460.03140.03660.0-1090.04450.0476
Separation(quarter nches
(inches) 0 1/4
0123456789
101112
-0.0571-0.0412-0.0319-0.0252-0.0201-0.0159-0.0124-0.0093-0.0066-0.0042-0.0020-
-0.0519-0.0384-0.0301-0.0238-0.01795-0.01494-0.01152-0.00852-0.00605
_
-
-
2/4 3/4
-0.0729-0.0477-0.0359-0.0282-0.0225-0.01795-0.01399-0.01078-0.00794-0.00529
-
-
-
-0.0636-0.0443-0.0339-0.0267-0.0212-0.01684-0.01323-0.01002-0.00719-0.00474
_
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LGIP
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"
TABLA L / 11.1.3.5.
VALORES TPICOS DE REACTANCIA, CABLES TRIFSICOS,EN OHMS POR 1000 ft DE CONDUCTOR
System VoltageCable Size 600 V 2400 V 4160 V 6900 V 13800 V
4 to 13 single-conductor cables in magnetic conduit1 three-conductor cable in magnetic conduit1 three-conductor cable in nonmagnetic duct
1/0 to 4/03 single-conductor cables in magnetic conduit1 three-conductor cable in magnetic conduit1 three-conductor cable in nonmagnetic duct
250-750 kcmil3 single-conductor cables in magnetic conduit1 three-conductor cable in magnetic conduit1 three-conductor cable in nonmagnetic duct
0.05200.03810.0310
0.04900.03600.0290
0.04500.03250.0270
0.06200.03840.0335
0.05500.03460.0300
0.05000.03100.0275
0.06180.03840.0335
0.05500.03460.0300
0.05000.03100.0275
0.05220.0453
-
0.04480.0386
0.03780.0332
0.05260.0457
-
0.04520.0390
0.03810.0337
NOTE: These vales may also be used for magnetic and nonmagnetic armored cables.
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IVIAIMUAL DE PROCEDIMIENTOSDE INGENIERA DE DISEO
INGENIERA ELCTRICA
ELABORO: SUPTCIA. GRAL DE INGRIA. ELECTROMECNICA REV:0 SEP / 1990
A Y U D A !
L
HOJA 27 DE 294
_
TABLA L / 11.1.3.6.
VALORES NORMALIZADOS DE IMPEDANCIAPARA TRANSFORMADORES TRIFSICOS
High-Voltage Rating
(volts) kVA Rating
Secondary Unit Substation Transformers*2400-13800 112.5-2242400-13800 300-5002400-13800 750-2500
22 900 All34 400 All
Liquid-lmmersed Transformers, 501-30000 kVA +
2 400-22 90026 400,34 400
4380067000
115000138000
Percent Impedance Voltage
Not less than 2.0Not less than 4.5
6.755
6.75
7.25
Low Voltage,480 V
6.755
7.257.75
Low Voltage,2400 V and Above
6.5**
7.0
7.5
8.08.59.0
NOTES: (1) Ratings separated by hypnens indcate that all intervening standard ratings are ncluded.Ratings separated by 8 comma indcate that only those usted are included.(2) Percent impedance voltages are at self-cooled rating and as measured on rated voltage connection.' From NEMA 210-1982 [38].* From ANS C57.12.10-1977 [4].* Three-phase transformers 5000 kVA and smaller with high-voltage windings rated 25 kV and below are
commonly used in industrial applications and are normally built with impedance voltages of 5.75%.*" Three-phase transformers 5000 kVA and smaller with high-voltage windings rated 25 kV and below are
commonly used in industrial applications and are normally built with impedance voltages of 5.5%.