Protección de sistemas eléctricos de potencia

Índice

Prólogo.............................................................................................................................................................................5

I Fallos eléctricos y método de las componentes simétricas...............................................................16

1. Cortocircuitos en las instalaciones eléctricas....................................................................................17

1.1 Introducción a los fallos eléctricos........................................................................................................17
1.1.1 Corrientes peligrosas de cortocircuito..............................................................................................18

1.2 Tipos de cortocircuitos.............................................................................................................................18

1.3 Parámetros eléctricos a considerar en los cortocircuitos. Conceptos según la
  norma VDE 0102........................................................................................................................................19

1.4 Corrientes de cortocircuitos. Magnitudes y variaciones temporales.............................................21
 1.4.1 Red monofásica sin carga..................................................................................................................22
 1.4.2 Red monofásica en carga...................................................................................................................26
 1.4.3 Redes trifásicas....................................................................................................................................28
 1.4.4 Constantes de tiempo.........................................................................................................................28
 1.4.5 Influencia de los tiempos de corte...................................................................................................30
 1.4.6 Reactancias a considerar en máquinas síncronas ante un cortocircuito................................30
 1.4.7 Comportamiento de los motores ante un cortocircuito...........................................................31

1.5 Métodos para limitar las corrientes de cortocircuito.........................................................................32
 1.5.1 Limitación de la potencia total conectada a un sector. Limitación de las
    potencias de los transformadores de alimentación.......................................................................33
 1.5.2 Puestas a tierra no rígidas..................................................................................................................33
 1.5.3 Desconexiones rápidas antes de que las corrientes de fallo alcancen valores
    elevados....................................................................................................................................................34
 1.5.4 Desexcitación de generadores..........................................................................................................34
 1.5.5 Bobinas de extinción o de resonancia (Petersen) o puesta a tierra
    compensante............................................................................................................................................34
 1.5.6 Empleo de tensiones elevadas..........................................................................................................38
1.5.7 Interposición de bobinas limitadoras trifásicas en serie..............................................................38

1.6 Efectos electrodinámicos y térmicos de las corrientes de cortocircuito.....................................41
 1.6.1 Efectos electrodinámicos....................................................................................................................41
 1.6.2 Efectos térmicos de las corrientes de cortocircuito....................................................................44

1.7 Determinación práctica de las corrientes de cortocircuito.............................................................46

1.8 Impedancias directa, inversa y homopolar......................................................................................50

1.9 Cálculo de la impedancia de aparatos y dispositivos eléctricos y de la impedancia
  de cortocircuito de la red..........................................................................................................................56
 1.9.1 Impedancias de aparatos y componentes.....................................................................................57
 1.9.2 Impedancias de cortocircuito de la red..........................................................................................60

1.10 Cálculo de las corrientes de cortocircuito según las directrices de la norma VDE
  0102, partes 1/11.71 y 2/11.75..................................................................................................................61
 1.10.1 Cálculo de las corrientes iniciales simétricas de cortocircuito con una
    fuente equivalente de tensión..............................................................................................................61
 1.10.2 Cálculo de las corrientes de cortocircuito Iₛ, Iₐ e Iₖ....................................................................63

1.11 Cuestiones y problemas.........................................................................................................................65

2. Redes de secuencia y componentes simétricas en los sistemas de potencia............................61

2.1 Introducción a las redes de secuencia.................................................................................................61

2.2 Redes de secuencia..................................................................................................................................63
 2.2.1 Impedancias y redes de secuencia..................................................................................................63
 2.2.2 Impedancias de secuencia para diversos elementos de un circuito eléctrico......................64
 2.2.3 Redes de secuencia directa e inversa............................................................................................66
 2.2.4 Redes de secuencia homopolar.......................................................................................................66
 2.2.5 Redes de secuencia de generadores sin carga............................................................................67
 2.2.6 Redes de secuencia de los transformadores..............................................................................68

2.3 Componentes simétricas........................................................................................................................71
 2.3.1 Método de cálculo...............................................................................................................................71

2.4 Cálculo de las corrientes de cortocircuito............................................................................................74
 2.4.1 Cortocircuito trifásico.........................................................................................................................74
 2.4.2 Cortocircuito bifásico sin contacto a tierra..................................................................................78
 2.4.3 Cortocircuito bifásico con contacto a tierra.................................................................................81
 2.4.4 Cortocircuito monofásico a tierra..................................................................................................83

2.5 Cuestiones y problemas...........................................................................................................................91

II. PROBLEMAS RESUELTOS Y PROPUESTOS DE FALLOS EN SISTEMAS DE POTENCIA.............99

3. Problemas resueltos de cálculo de fallos en sistemas eléctricos de potencia..........................103

Problema 3.1.........................................................................................................................................................103
Problema 3.2.........................................................................................................................................................116
Problema 3.3.........................................................................................................................................................130
Problema 3.4.........................................................................................................................................................142
Problema 3.5.........................................................................................................................................................153
Problema 3.6.........................................................................................................................................................164
Problema 3.7.........................................................................................................................................................173
Problema 3.8.........................................................................................................................................................184
Problema 3.9.........................................................................................................................................................194
Problema 3.10.......................................................................................................................................................206
4. Enunciados de problemas de fallos en sistemas de potencia...............................................213

Problema 4.1.....................................................................................................................................................213
Problema 4.2.....................................................................................................................................................216
Problema 4.3.....................................................................................................................................................218
Problema 4.4.....................................................................................................................................................221
Problema 4.5.....................................................................................................................................................224
Problema 4.6.....................................................................................................................................................226
Problema 4.7.....................................................................................................................................................227
Problema 4.8.....................................................................................................................................................229
Problema 4.9.....................................................................................................................................................231
Problema 4.10...................................................................................................................................................233
Problema 4.11...................................................................................................................................................234
Problema 4.12...................................................................................................................................................235
Problema 4.13...................................................................................................................................................236
Problema 4.14...................................................................................................................................................237
Problema 4.15...................................................................................................................................................238
Problema 4.16...................................................................................................................................................239
Problema 4.17...................................................................................................................................................241
Problema 4.18...................................................................................................................................................242
Problema 4.19...................................................................................................................................................247
Problema 4.20...................................................................................................................................................249

ANEXO

ANEXO I. Constantes de magnitudes físicas, terrestres y cuánticas....................................................245

ANEXO II. Resistividad (ρ), coeficiente de temperatura (α), punto de fusión (°C) y
       densidad (δ) de diversos materiales y aleaciones...............................................................246

ANEXO III. Coeficientes de resistividad de los aislantes......................................................................248

ANEXO IV. Magnitudes y unidades magnéticas.......................................................................................248

ANEXO V. Conductores eléctricos................................................................................................................249

ANEXO VI. Conductancia. Autoinducción y Susceptancia......................................................................250

ANEXO VII. Método de las constantes auxiliares.....................................................................................251

ANEXO VIII. Método del circuito equivalente en “T”, y en “Π”.................................................................252

ANEXO IX. Fórmulas para el cálculo de líneas eléctricas.........................................................................255

ANEXO X. Resumen de fórmulas de líneas eléctricas............................................................................258

ANEXO XI. Fórmulas para el cálculo de cortocircuitos mediante el método de las
       redes de secuencia y las componentes simétricas..............................................................262

ANEXO XII. Fórmulas, Factores correctores y Tablas para el Cálculo de las Corrientes
       de Cortocircuito Mediante la Norma VDE 0102.................................................................263

Bibliografía..................................................................................................................................................273

Protección de sistemas eléctricos de potencia
Con este libro se intenta ofrecer en una sola obra un compendio teórico sobre protección de sistemas eléctricos de potencia y, al mismo tiempo, una extensa colección de problemas tanto propuestos como resueltos, referentes al cálculo de cortocircuitos, sobrecargas o derivaciones a tierra en las redes eléctricas.
El primer módulo está formado por dos capítulos y tiene por objetivo el estudio de los sistemas de potencia trabajando en situaciones anómalas.
En el primer capítulo se realiza un estudio de los cortocircuitos, con sus efectos térmicos y dinámicos, y los sistemas para limitar sus corrientes de falta, calculando las corrientes de cortocircuito mediante la norma VDE 0102. Por su parte, el segundo capítulo trata de los fallos eléctricos simétricos o asimétricos mediante el método de las redes de secuencia y las componentes simétricas.
El segundo módulo está dedicado a la resolución de problemas y se estructura en dos capítulos bien diferenciados. El primer capítulo ofrece una colección de problemas completamente resueltos y comentados sobre el cálculo de los diversos tipos de fallos que pueden afectar a un sistema de potencia, mientras que el segundo capítulo, formado por 20 enunciados de problemas, con sus respectivas soluciones, permite consolidar los conocimientos adquiridos.

Ramón M. Mujal, Dr. Ingeniero Industrial e Ingeniero Técnico de Minas, es profesor de la Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial y Aeronàutica de Terrassa (ETSEIAT), adscrito al Departamento de Ingeniería Eléctrica de la UPC. Actualmente compagina su labor docente con la dirección de programas de posgrado y la realización de cursos de apoyo para empresas.
Ha recibido en dos ocasiones el Premio Nacional de Edición Universitaria a la mejor edición multimedia, además de ser autor de varios libros sobre el área eléctrica.

Ingeniería Eléctrica