En un cortocircuito alimentado solo por el generador, la componente de ca decae más rápido que la de cc. Si el grado de asimetría pasa de 100 %, la corriente no cruza por cero durante un tiempo. IEC/IEEE 62271-37-013 pide demostrar por cálculo, con la tensión de arco del interruptor, que este fuerza el paso por cero dentro de su tiempo máximo de arco.
Respuesta corta
Un cortocircuito entre el generador y su transformador elevador se alimenta solo del generador, sin ninguna transformación en medio. En ese caso, la componente de ca de la corriente decae rápido, mientras que la de cc decae más despacio. Si la de cc llega a ser mayor que el pico de la de ca, la corriente deja de cruzar por cero durante un tiempo y un interruptor no puede cortarla en ese lapso. IEC/IEEE 62271-37-013, edición 2015, trata este fenómeno en los apartados 4.101.3 y 8.103.6.3.6.
Qué define la norma
El apartado 4.101.3.1 llama corriente de corte asignada del lado generador a la mayor corriente de cortocircuito alimentada por un generador, en el instante de separación de contactos, que el interruptor debe poder cortar. Esa corriente se busca en un circuito con tensión de recuperación a frecuencia industrial igual a la asignada del interruptor y con la tensión transitoria de recuperación del apartado 4.105. Para interruptores tripolares, la componente de ca corresponde a un cortocircuito trifásico a tierra.
Dos valores la caracterizan:
- el valor eficaz de su componente de ca en la separación de contactos, Iscg;
- el grado de asimetría en la separación de contactos, Asycs.
La norma añade tres precisiones:
- si el grado de asimetría supera 100 %, hay pasos por cero retardados;
- si no pasa de 20 %, la corriente se caracteriza solo por el valor eficaz de su componente de ca;
- a tensiones iguales o menores que la asignada el interruptor debe poder cortar esa corriente, pero por encima de la asignada no se garantiza ninguna.
El grado de asimetría (apartado 3.7.144) es la relación en porcentaje entre la componente de cc y el valor pico de la componente de ca, a partir de la envolvente de la onda. Vale 100 % cuando ambas son iguales.
Por qué la corriente no cruza por cero
El apartado 8.103.6.3.6.2 explica el origen. Una corriente de cortocircuito circula si el interruptor se cierra sobre un cortocircuito, o si hay un arco entre al menos dos fases o entre fases y tierra. Si la falla se inicia en el cruce por cero de la tensión de una fase, la corriente de esa fase tiene el máximo grado de asimetría.
Ambas componentes decaen exponencialmente, pero con constantes de tiempo distintas:
| Componente | Cómo decae | Constantes de tiempo |
|---|---|---|
| Ca | Con las constantes subtransitorias y transitorias del generador (τ”d, τ”q, τ’d, τ’q) | τ”d y τ”q de 25 a 45 ms; τ’d de 0,8 a 1,5 s; τ’q de 250 a 400 ms |
| Cc | Con la constante del inducido, τa = X”d / (2π f Ra) | τa de 150 a 400 ms |
Son valores típicos que da la norma. Varían en un rango amplio según el tamaño y el diseño del generador. Si la componente de ca decae más rápido que la de cc, aparecen pasos por cero retardados durante cierto tiempo.
Cuándo es peor: generador subexcitado
El apartado 8.103.6.3.6.1 indica que la mayor asimetría ocurre cuando, antes de la falla, el generador trabaja subexcitado con factor de potencia en adelanto. En esa condición, la componente de cc puede ser mayor que el pico de la de ca. La componente de ca de la falla es entonces menor que la asignada.
Si, en cambio, el generador entrega potencia con factor de potencia en atraso, la asimetría es menor y la componente de ca es mayor.
El análisis de muchos generadores dio un grado de asimetría del orden de 130 %, con una componente de ca de solo 74 % de la asignada. De ahí salen los dos valores de asimetría de la clase G1 del interruptor de generador. La norma reconoce que la asimetría puede superar 130 %.
Cómo se fuerza el paso por cero
El apartado 8.103.6.3.6.3 describe el mecanismo: una resistencia adicional en serie con la del inducido hace que la componente de cc decaiga más rápido. Esa resistencia adicional puede ser:
- la conexión del generador hasta el punto de falla;
- la resistencia del arco en el lugar de la falla, si existe;
- la resistencia del arco del interruptor después de la separación de contactos.
Normalmente estos valores son suficientes para que la cc caiga rápido y aparezcan pasos por cero. La norma da un ejemplo en el que, dentro de un ciclo después de la separación de contactos, ya hay pasos por cero. La tensión de arco del interruptor cambia de repente el decaimiento de la cc en el instante de separación.
- Generador: Cortocircuito del lado generador. La ca decae más rápido que la cc
- Generador: Asimetría mayor de 100 %. La corriente no cruza por cero
- Interruptor: Separación de contactos. Aparece la tensión de arco
- Interruptor: Aumenta la resistencia en serie. La cc decae más rápido
- Interruptor: Paso por cero. El interruptor extingue el arco
Cómo se demuestra la capacidad
Probar en una estación de ensayo de alta potencia una corriente con pasos por cero retardados de las condiciones reales puede ser difícil (apartado 8.103.6.3.6.4). Por eso la capacidad de interrumpirla se comprueba por cálculo, con resultados de los ensayos de cortocircuito del lado generador (apartado 6.105.12). Si se hacen ensayos trifásicos en la estación, se siguen las condiciones del apartado 6.105.
El cálculo tiene estas reglas:
- se parte de la característica de tensión de arco frente a corriente de un corte del interruptor, tomada de ensayos de interrupción;
- esa característica se convierte en una resistencia de arco no lineal y variable en el tiempo, que se introduce en la simulación en el instante de separación de contactos;
- se usan los datos técnicos del generador real;
- se estudian dos casos de falla trifásica: inicio en el cero de tensión de una fase, con máxima asimetría, e inicio en el máximo de tensión, con corriente simétrica;
- para cada uno, el generador sin carga con el interruptor cerrando sobre la falla, y el generador en servicio con factor de potencia en adelanto y un arco en al menos dos fases.
La capacidad queda demostrada si el interruptor fuerza la corriente a cero dentro del tiempo máximo de arco permitido, es decir, el intervalo en que puede interrumpir una corriente.
Cómo influye en la elección del interruptor
El apartado 8.103.6.3.7 trae una guía para elegir la clase. Se calculan la componente de ca y la corriente asimétrica de una falla trifásica entre el interruptor y el transformador, con el generador cargado en atraso y con el generador sin carga, y los requisitos se cumplen a la vez. El grado de asimetría calculado, menor de 110 %, entre 110 % y 130 % o mayor de 130 %, define qué clase sirve y qué cálculo con la tensión de arco hay que presentar.
Las clases del interruptor de generador se explican en interruptor de generador: clases G1 y G2. La asimetría de la corriente se relaciona con la corriente de corta duración y valor de cresta. El análisis de un disparo de generador está en análisis de fallas en generadores.
Las demás partes de IEC 62271 se ordenan en las normas para pruebas a equipos primarios.
Qué datos necesita un estudio
- Las reactancias y constantes de tiempo del generador: subtransitoria, transitoria, del inducido y las de circuito abierto.
- La resistencia del inducido, que fija la constante de cc.
- El punto de operación previo: carga y factor de potencia, y si el generador puede trabajar subexcitado.
- El instante previsto de separación de contactos del interruptor.
- La característica de tensión de arco del interruptor, que entrega el fabricante.
Con un registro oscilográfico de una falla real puede revisar la asimetría con el visor COMTRADE y la guía de análisis de fallas con registros oscilográficos.
Cuándo llamarnos
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Referencias
- IEC/IEEE 62271-37-013, High-voltage switchgear and controlgear - Part 37-013: Alternating-current generator circuit-breakers, edición 2015, apartados 3.7.144, 4.101.3 y 8.103.6.3.6 a 8.103.6.3.7.
Preguntas frecuentes
¿Qué son los pasos por cero retardados?
Es la condición en que la corriente de cortocircuito no cruza por cero durante un período, porque la componente de cc supera el pico de la componente de ca. La norma lo asocia a un grado de asimetría mayor de 100 %. Sin paso por cero, un interruptor no puede extinguir el arco hasta que la cc decae o la tensión del arco fuerza el cruce.
¿Cuándo es mayor la asimetría de la falla del generador?
La norma indica que el valor más alto ocurre cuando, antes de la falla, el generador opera subexcitado con factor de potencia en adelanto. En ese caso la componente de ca de la falla es menor que la asignada. Con carga en atraso, la asimetría es menor pero la componente de ca es mayor.
¿Se ensaya en laboratorio la corriente con pasos por cero retardados?
No siempre. La norma reconoce que puede ser difícil demostrarla en estaciones de ensayo de alta potencia. Por eso la capacidad de interrumpirla se verifica por cálculo, con la tensión de arco del interruptor medida en ensayos de cortocircuito, y se considera demostrada si el interruptor fuerza el paso por cero dentro de su tiempo de arco máximo permitido.