Procedimiento Cortocircuito Interruptores

PROCEDIMIENTO DO

TÉRMINOS Y CONDICIONES DEL CÁLCULO DE CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO PARA LA VERIFICACIÓN DEL DIMENSIONAMIENTO DE

INTERRUPTORES EN EL SIC

CDEC-SIC Dirección de Operación

ÍNDICE

TÍTULO I: ASPECTOS GENERALES...........................................................................................................3

ARTÍCULO 1. OBJETIVO........................................................................................................................3

ARTÍCULO 2. CONDICIÓN DE OPERACIÓN ANTE FALLAS........................................................3

ARTÍCULO 3. CONDICIÓN DE INTERRUPCIÓN..............................................................................3

ARTÍCULO 4. CONDICIÓN DE CIERRE..............................................................................................3

ARTÍCULO 5. HERRAMIENTA DE CÁLCULO..................................................................................3

ARTÍCULO 6. NORMAS DE REFERENCIA.........................................................................................4

TÍTULO II: METODOLOGIA..................................................................................................................4

ARTÍCULO 7. SUPUESTOS Y SIMPLIFICACIONES.........................................................................4

ARTÍCULO 8. CONDICIONES DE APLICACIÓN..............................................................................5

ARTÍCULO 9. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO..........................................................................6

ARTÍCULO 10. TIPOS DE CORTOCIRCUITO......................................................................................6

ARTÍCULO 11. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE LAS COMPONENTES DE CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO.........................................................................................................7

ARTÍCULO 12. CONDICIONES PARA LA VERIFICACIÓN DE LA CAPACIDAD DE LOS INTERRUPTORES..........................................................................................................................................11

ARTÍCULO 13. CRITERIOS DE VERIFICACIÓN..............................................................................12

ANEXO N° 1: DEFINICIONES ASOCIADAS AL CÁLCULO DE CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO (IEC 60909-0)................................................................................................................13

ANEXO N° 2: DEFINICIONES ASOCIADAS A INTERRUPTORES (NORMAS: IEC 62271-100; IEC 60050-411). 14

ANEXO N° 3: COMPONENTES DE LA CORRIENTE TRANSITORIA EN UN CIRCUITO R-L.....16

ANEXO N° 4: EXPRESIONES MATEMÁTICAS DE CORRIENTES DE CORTOCIRCUITOS SIMÉTRICAS SEGÚN TIPOS DE CORTOCIRCUITOS..........................................................................18

ANEXO N° 5: Homologación de algunos términos de Norma IEC con ANSI........................................20

PDO – TÉRMINOS Y CONDICIONES DEL CÁLCULO DE CORRIENTES DE CORTOCIRCUITOS PARAVERIFICACIÓN DEL DIMENSIONAMIENTO DE INTERRUPTORES EN EL SIC

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PROCEDIMIENTO DO

TÉRMINOS Y CONDICIONES DEL CÁLCULO DE CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO PARA LA VERIFICACIÓN DEL

DIMENSIONAMIENTO DE INTERRUPTORES DE PODER EN EL SIC

TÍTULO I: ASPECTOS GENERALES

Artículo 1. Objetivo

El objetivo del presente procedimiento es definir los términos, las normas y consideraciones técnicas, bajo los cuales se debe efectuar el cálculo de corrientes de cortocircuito que permitan verificar el dimensionamiento de los interruptores de poder instalados en el Sistema Interconectado Central, en conformidad a lo establecido en la Norma Técnica de Seguridad y Calidad de Servicio, en adelante la NT de SyCS.

Artículo 2. Condición de operación ante fallas

Los interruptores deberán soportar la corriente de cortocircuito, que se establezcan a través de éstos, debido a fallas en cualquiera de las instalaciones del SIC, durante el tiempo de despeje de la falla.

Artículo 3. Condición de interrupción

Los interruptores, cuya apertura sea accionada por operación de esquemas de protección para el despeje de fallas en las instalaciones del SIC, deberán ser capaces de interrumpir la máxima corriente de cortocircuito, que se establezca a través de éstos, de acuerdo con su ubicación en la red y la localización de la falla.

Artículo 4. Condición de cierre

Los interruptores deberán soportar la máxima corriente de cortocircuito de cierre contra falla, ya sea por cierre de operación manual o por cierre con reconexión automática.

Artículo 5. Herramienta de cálculo

La herramienta de simulación que se emplee para el análisis de cortocircuitos deberá considerar los criterios y supuestos establecidos en el presente procedimiento y que permita el cálculo de las componentes de la corriente de cortocircuito establecidas en el Artículo 9.


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Artículo 6. Normas de referencia

Los criterios y supuestos establecidos, en el presente procedimiento tienen como respaldo técnico las siguientes normas y estándares:

o Norma IEC 60909-0 (2001): “Short-Circuit current in three-phase a.c. systems”.

o Norma IEC 60050-441 (2000) : “International Electrotechnical Vocabulary. Chapter 441: Switchgear, controlgear and fuses”

o Norma IEC 62271-100 (2001) : “High-Voltage switchgear and controlgear. Part 100: High Voltage alternating-current circuit-breakers”

TÍTULO II: METODOLOGIA

Artículo 7. Supuestos y Simplificaciones

El cálculo de las corrientes de cortocircuito supone las siguientes simplificaciones:

a) Durante el tiempo de duración del cortocircuito no existe cambio en el tipo de cortocircuito, esto es, un cortocircuito trifásico permanece trifásico y un cortocircuito monofásico permanece monofásico durante todo el tiempo del cortocircuito.

b) Durante el tiempo de duración del cortocircuito, no existen cambios topológicos en la red.

c) La impedancia de los transformadores es referida a la posición nominal del cambiador de tomas. No obstante, el cálculo de corrientes de cortocircuito debe considerar un factor de corrección que represente a la posición del cambiador de tomas que de origen a la menor impedancia de cortocircuito.

d) Las magnitudes de la resistencia del arco del cortocircuito y de la impedancia de falla se consideran despreciables.

e) No se consideran: las capacitancias de las líneas, las admitancias shunt y las cargas estáticas (no-rotatorias), excepto las correspondientes a la red de secuencia cero del sistema.

f) El tiempo mínimo de separación de los contactos de un interruptor a considerar será de 40 milisegundos. Dicho valor, está constituido por la suma del tiempo de operación del rele más rápido que actúa sobre el trip del interruptor y del tiempo de inicio de la separación de sus contactos.


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Artículo 8. Condiciones de Aplicación

EL cálculo de las corrientes de cortocircuitos deberá contemplar las siguientes condiciones:

o Factor de tensión (C): Se deberá considerar una tensión pre-falla igual a C veces la tensión nominal, donde C es un factor de tensión que depende de la tensión, según lo indicado en la Tabla N° 1.

Tabla N° 1: Factor de tensión “C”. (Norma IEC 60909-0)

Tensión Nominal Factor de tensión C

230 V – 400V 1

Mayor que 400 V y menor o igual a 1000 V

1.05

Mayor que 1 kV 1.1

o Topología de la red: Se deberá considerar la configuración del sistema que presente la mayor contribución de las centrales de generación al cortocircuito, esto significa, tener conectadas todas las unidades de generación, todas las líneas y transformadores en servicio, talque se configure el mayor enmallamiento del sistema.

o Sistema equivalente: En caso de usar redes equivalentes externas para representar el sistema o parte de este, se deberá utilizar la mínima impedancia de cortocircuito equivalente que corresponde a la máxima contribución de corriente al cortocircuito desde la red externa equivalente modelada.

o Resistencia RL: La resistencia de las líneas aéreas y cables deberá ser considerada para una temperatura de 20 °C o en su defecto, las correspondientes resistencias disponibles en la base de datos de las instalaciones del CDEC-SIC que se emplean en el cálculo de flujos de potencia.


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Artículo 9. Corriente de cortocircuito

Las componentes de la corriente de cortocircuito que se deberán calcular son:

a) Corriente de cortocircuito simétrica inicial (r.m.s)b) Corrientes de cortocircuito simétrica y asimétrica de interrupción

(r.m.s.), evaluada en el instante de 40 milisegundos después de iniciada la falla

c) Corriente de cortocircuito máxima instantánea (peak) (cierre contra cortocircuito)

d) Corriente de cortocircuito en régimen permanente (r.m.s).

Para el cálculo de estas componentes, se deberán emplear los siguientes parámetros de las máquinas rotatorias:

a) En las máquinas sincrónicas la reactancia subtransiente saturada o 0.8 veces el valor de la reactancia subtransiente no saturada.

b) En las máquinas asincrónicas la impedancia de rotor bloqueado.

Artículo 10. Tipos de cortocircuito

El cálculo de las componentes de la corriente de cortocircuito indicadas en el Artículo 9. , deberá ser determinada en los siguientes tipos de fallas:

a) Cortocircuito trifásico (3F).b) Cortocircuito bifásico aislado (2F).c) Cortocircuito bifásico a tierra (2FT).d) Cortocircuito monofásico a tierra (1FT).


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Artículo 11. Procedimiento de cálculo de las componentes de corrientes de cortocircuito

El procedimiento para determinar las componentes de corrientes de cortocircuito definidas en el Artículo 9, contempla la aplicación de las relaciones matemáticas indicadas en el Anexo 4:

Corriente de cortocircuito máxima (ip)

1. Calcular las corrientes de cortocircuito simétrica inicial (I’’k) para los tipos de fallas indicados en el Artículo 10, esto es, I’’k3F, I’’k2F, I’’k1FT e I’’k2FT.

2. Aplicar las siguientes expresiones:

Nota: A continuación, se indican las expresiones de cálculo conservador para estimar las corrientes de cortocircuito máximas, que consideran la aplicación de un factor de asimetría:

3. Determinar la mayor corriente máxima (iP), como:


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Corriente de cortocircuito simétrica de interrupción

1. Calcular la corriente de cortocircuito simétrica de interrupción (Ib) en el instante de 40 milisegundos después de ocurrida la falla, para los tipos de falla indicados en el Artículo 10, esto es, Ib3F, Ib2F, Ib1FT e Ib2FT.

2. Determinar la mayor corriente de cortocircuito simétrica de interrupción como:

Corriente de cortocircuito asimétrica de interrupción(En el instante de 40 milisegundos después de iniciada la falla)

1. Calcular las razones X/R de las corrientes de cortocircuito de interrupción, esto es, (X/R)b3F, (X/R)b2F, (X/R)b1FT y (X/R)b2FT según las expresiones indicadas en el Anexo 4.

2. Calcular la componente continua (idc) de las corriente cortocircuito de interrupción, a través de la aplicación de las siguientes expresiones:


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Nota: A continuación, se indican las expresiones de cálculo conservador para estimar la componente continua de las corrientes de cortocircuito:

3. Calcular la corriente de cortocircuito asimétrica de interrupción (IbASY), como:

Nota: A continuación, se indican las expresiones de cálculo conservador para estimar las corrientes de cortocircuito asimétrica de interrupción:

4. Determinar la mayor corriente IbAsy, como:


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Corriente de cortocircuito en régimen permanente

1.- Calcular las corrientes de cortocircuitos simétricas en régimen permanente (Ik) para los tipos de fallas indicadas en el Artículo 10, esto es, Ik3F, Ik2F, Ik1FT e Ik2FT.

2.- Determinar la mayor corriente de cortocircuito simétrica en régimen permanente como:


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Artículo 12. Condiciones para la Verificación de la Capacidad de los Interruptores

Un interruptor estará adecuadamente dimensionado si satisface las condiciones que se señalan a continuación, supeditado a las mayores corrientes de cortocircuito que se determinen de acuerdo con lo establecido en el Artículo 11:

a) La capacidad de ruptura simétrica nominal del interruptor, deberá ser mayor que la corriente de cortocircuito simétrica de interrupción que se establezca a través de éste, en el instante de 40 milisegundos después de iniciado el cortocircuito.

b) La capacidad de ruptura asimétrica del interruptor, deberá ser mayor que la corriente de cortocircuito de interrupción asimétrica que se establezca a través de éste, en el instante de 40 milisegundos después de iniciado el cortocircuito.

c) La capacidad de cierre contra cortocircuito nominal del interruptor, deberá ser mayor que la corriente de cortocircuito máxima instantánea (peak), que se establezca a través de éste.

d) La corriente de cortocircuito de duración nominal del interruptor dada por el (I2t) de diseño, deberá ser mayor que el Ik

2t correspondiente a la corriente de cortocircuito en régimen permanente para un período de operación de la primera protección de respaldo.

Nota: Para establecer la capacidad de ruptura asimétrica de interruptores como función de la capacidad de ruptura simétrica (ISC) y de su componente de corriente continua asociada, expresada como un porcentaje (kdc) respecto del valor máximo de la corriente de interrupción simétrica (2ISC), se puede emplear la siguiente expresión:

Donde ISC representa la capacidad de ruptura simétrica expresada en kA amperes r.m.s.


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Artículo 13. Criterios de Verificación

a) Corto Circuito en Barra:

Un interruptor estará adecuadamente dimensionado si la mayor de las corrientes de cortocircuito, que se determinen de acuerdo con lo establecido en el Artículo 11, en la barra o nudo donde se encuentra conectado, cumple simultáneamente con las condiciones señaladas en el Artículo 12.

En el caso que el interruptor no cumpla con esas condiciones para el cortocircuito en barra, se deberán determinar las corrientes de cortocircuito que se establezcan a través del interruptor en las condiciones señaladas en el inciso b) de este Artículo.

b) Corrientes de Corto Circuito en el Interruptor:

La capacidad del interruptor deberá satisfacer la máxima de las corrientes de cortocircuito que se determinen en las distintas condiciones de aplicación de la falla, que se señalan en la figura (1). Es decir, se deberá verificar lo siguiente:

Figura (1).


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IntF ICCLinea

ICCBarra

Int

ICCBarra- ICCLinea

F

Int

ICCOpenEnd

F

Int

F

ICCLineOut

Int


ANEXO N° 1: Definiciones asociadas al cálculo de corrientes de cortocircuito (IEC 60909-0)

1. Corriente de cortocircuito simétrica: Valor r.m.s. de la componente simétrica de corriente alterna (ca.) de una corriente de cortocircuito. La componente continua o no periódica de la corriente, no es considerada.

2. Corriente de cortocircuito simétrica inicial: Valor r.m.s. de la componente simétrica de ca. de una corriente de cortocircuito, aplicable en el instante de iniciado el corto circuito, considerando que la impedancia mantiene el valor del instante t=0.

3. Componente continua (no-periódica) de la corriente de cortocircuito (iDC): Valor medio de la envolvente de la corriente de cortocircuito decayendo desde un valor inicial hasta cero.

4. Corriente de cortocircuito máxima (peak): Valor instantáneo máximo posible de la corriente de cortocircuito.

5. Corriente de cortocircuito simétrica de interrupción: Valor r.m.s. de la componente simétrica de la corriente de cortocircuito, integrada en 1 ciclo, para el instante de separación de los contactos del primer polo del dispositivo de interrupción.

6. Tensión nominal del sistema (Vn): Tensión (línea a línea) de diseño del sistema.

7. Cortocircuitos lejanos al generador: Cortocircuito durante el cual la magnitud de la componente simétrica de corriente alterna (ca.) de la corriente de cortocircuito permanece esencialmente constante.

8. Cortocircuitos cercanos al generador: Cortocircuito en el que al menos una máquina sincrónica contribuye con una corriente de cortocircuito simétrica inicial que es mayor que dos veces la corriente de nominal de la máquina, o un cortocircuito para el cual la contribución de los motores asincrónicos es mayor que el 5% de la corriente de cortocircuito simétrica inicial sin los motores.

9. Reactancia subtransiente de una máquina sincrónica: Corresponde a la reactancia que efectivamente se establece al momento del cortocircuito..


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ANEXO N° 2: Definiciones asociadas a interruptores (Normas: IEC 62271-100; IEC 60050-411).

1. Corriente de cortocircuito de interrupción nominal(ISC): Es la corriente de cortocircuito más alta que el interruptor es capaz de interrumpir bajo condiciones de uso y comportamiento establecidas en la norma IEC 62271-100. La corriente es caracterizada por dos valores:

- El valor r.m.s. de la componente de corriente alterna - El porcentaje de la componente de corriente continua

Si la componente de corriente continua. no excede el 20%, la corriente de interrupción nominal, es caracterizada solo por el valor r.m.s. de la componente de corriente alterna.

El interruptor será capaz de interrumpir cualquier corriente de cortocircuito hasta su corriente de cortocircuito de interrupción nominal que contenga cualquier componente de corriente alterna hasta su valor nominal y, asociada con cualquier porcentaje de la componente de corriente continua hasta el valor especificado.

El valor estándar de la componente de corriente alterna de la corriente de cortocircuito de interrupción nominal será seleccionada desde la serie R10 especificada en la norma IEC 600059.

La serie R10 comprende los números: 1 - 1.25 - 1.6 – 2 - 2.5 - 3.15 – 4 – 5 - 6.3 – 8 y aquellos formados por el producto entre estos números por 10n.

2. Corriente de cortocircuito máxima nominal (Rated short-circuit making current): Es la máxima corriente de cortocircuito que soporta el interruptor durante el primer ciclo de la corriente de cortocircuito.

3. Determinación de las componentes de corriente máxima, simétrica de interrupción y continua, de cortocircuito: De acuerdo a la información contenida en la figura (2), se tiene:


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Corriente de cortocircuito

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05tpo. seg

A'

A

D'

D

C'

C

B'

B

IMC

IDC

IC.A.

E

E'

M

N

O

X

1

2

2.5

Figura (2)

Curva - trazo – variable - expresión

Descripción

AA’ y BB’ Envolvente de la onda de corrienteBX Línea de eje cero

CC’Desplazamiento de la línea de eje cero de la componente de corriente alterna en cualquier instante

DD’Valor r.m.s de la componente de c.a. de la corriente en cualquier instante, medido desde curva CC’

EE’Instante de separación de los contactos del interruptor (iniciación del arco de cortocircuito)

IMC Corriente de cortocircuito máxima

ICA.

Valor peak de la componente ca. de la corriente en el instante definido por el trazo EE’

IDC.Componente de corriente continua de la corriente en el instante EE’

Porcentaje de la componente de corriente continua (dc)


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ANEXO N° 3: Componentes de la corriente transitoria en un circuito R-L

Las siguientes ecuaciones representan las expresiones matemáticas de la corriente transitoria un circuito inductivo (R-L) alimentado con una fuente de tensión de corriente alterna:

Donde:V : Tensión r.m.s. de la fuente de alimentación, en volt.X : Reactancia inductiva del circuito R-L, esto es, 250L, en ohm.R : Resistencia del circuito R-L, en ohm. : Determina la magnitud de tensión cuando se cierra el circuito R-L.

Componente de corriente……. ExpresiónSimétrica r.m.s.

Simétrica máxima

Continua en función del tiempo

Envolvente máxima en función del tiempo

Asimétrica r.m.s. en función del tiempo

Peak en función de la razón X/R, en t=0.01s

Peak para X/R=14.13, en t=0.01s

Asimétrica r.m.s en función de X/R en t=0.04s


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Componente de corriente……. Expresión

Asimétrica RMS en función para X/R=14.13 en t=0.04s

Continua en función de X/R en t=0.04s

Continua en función de X/R=14.13 y en t=0.04s


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ANEXO N° 4: Expresiones matemáticas de corrientes de cortocircuitos simétricas según tipos de cortocircuitos.

Las siguientes expresiones de tipo general se pueden emplear para calcular; la corriente de cortocircuito simétrica inicia (I’’k), la corriente de cortocircuito simétrica de interrupción (Ib), la corriente de cortocircuito simétrica de régimen permanente (Ik) y las correspondientes razones (X/R), según los tipos de cortocircuito.

Cortocircuito Trifásico:

Cortocircuito Monofásico a tierra:

Cortocircuito Bifásico aislado de tierra:

Cortocircuito Bifásico a tierra:


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Donde:Vn : Tensión nominal línea a línea del sistema en el punto de falla, en

kV.c : Factor de tensión. Z1=R1+jX1 : Impedancia del circuito equivalente de Thevenin de la red de

secuencia positiva en el punto de falla, en ohm. Z2=R2+jX2 : Impedancia del circuito equivalente de Thevenin de la red de

secuencia negativa en el punto de falla, en ohm. Z0=R0+jX0 : Impedancia del circuito equivalente de Thevenin de la red de

secuencia cero en el punto de falla, en ohm.ICC3F : Corriente de cortocircuito simétrica RMS de fase, para cortocircuito

trifásico, en kA. ICC1FT : Corriente de cortocircuito simétrica RMS de fase, para cortocircuito

monofásico a tierra, en kA. ICC2F : Corriente de cortocircuito simétrica RMS de fase, para cortocircuito

bifásico aislado de tierra, en kA.ICC2FT : Corriente de cortocircuito simétrica RMS de fase, para cortocircuito

bifásico a tierra, en kA.(X/R)CC3F : Razón X/R del cortocircuito trifásico.(X/R)CC1FT : Razón X/R del cortocircuito monofásico a tierra.(X/R)CC2F : Razón X/R del cortocircuito bifásico aislado de tierra.(X/R)CC2FT : Razón X/R del cortocircuito bifásico a tierra.


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ANEXO N° 5: Homologación de algunos términos de Norma IEC con ANSI.

Definición de conceptos relacionados con especificaciones técnicas nominales de interruptores de poder en alta tensión:

Id Definición en Español

NORMA UnidadIEC ANSI

1 Corriente nominal Rated normal current Rated continuos current Amp. r.m.s.

2Capacidad de ruptura simétrica

Rated short-circuit breaking current (ISC)

Rated short-circuit currentkA r.m.s.

3Capacidad de cierre contra cortocircuito

Rated short-circuit making current (ip)

Rated closing, latching, and short time carrying kA

4Capacidad de ruptura asimétrica

Constituida por:Una componente de c.a. (ISC) y una componente de corriente continua definida como un porcentaje kdc:

Valor r.m.s de la componente total de interrupción:

kAr.m.s.

5

Corriente de cortocircuito en régimen permanente

Steady-state short-circuit current (Ik)

Steady-state short-circuit current

kA r.m.s.


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Conceptos según normas empleados en el cálculo de corrientes de cortocircuito:

Id ConceptosNorma

IEC ANSI1 Tensión de pre-falla cVn Vn

2 Redes de secuencia para:Impedancias

:Z1,Z2,Z0

Reactancias: X1,X2,X0Resistencias: R1, R2,R0

3

Reactancia de máquinas sincrónicas empleadas en el cálculo de la corriente de cortocircuito simétrica inicial (I’’k)

X” saturada

Turbo generadores: X’’saturadaHidro con amortiguadores: X’’saturadaHidro sin amortiguadores: 0.75X’saturada

4

Reactancia de máquinas sincrónicas empleadas en el cálculo de la corriente de cortocircuito de interrupción simétrica (Ib)

X’’saturada

Turbo generadores: X’’saturadaHidro con amortiguadores: X’’saturadaHidro sin amortiguadores: 0.75X’saturada

5

Impedancia de máquinas de inducción en al cálculo de cortocircuito simétrica inicial (I’’k)

Impedancia de rotor

bloqueadoReactancia de rotor bloqueado

6

Impedancia de máquinas de inducción en el cálculo de corriente de cortocircuito de interrupción simétrica (Ib)

Impedancia de rotor

bloqueado

1.5 veces la reactancia de rotor bloqueado

7

Impedancia de máquinas de inducción en el cálculo de corriente de cortocircuito en régimen permanente (Ik)

Impedancia de rotor

bloqueado en fallas

asimétricas

Las máquinas de inducción no aportan a las corrientes de cortocircuito en régimen permanente.

8 Expresiones de para la razón X/R

IEC Idem a IEC


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