Explicación de la clasificación de resistencia a cortocircuitos de barras colectoras: normas Icw, Ipk e IEC

Contenido

1 Lo que realmente mide la clasificación de resistencia a cortocircuitos
- 1.1 Corriente soportada de corta duración (Icw)
- 1.2 Corriente máxima soportada (Ipk)
2 Por qué la calificación decide la diferencia entre una falla y un desastre
3 Cómo se verifica la calificación: estándares, pruebas de tipo y datos honestos
4 ¿Qué determina cuánta corriente de cortocircuito puede sobrevivir una barra colectora?
5 Cómo especificar la clasificación de resistencia a cortocircuitos adecuada
6 Preguntas frecuentes sobre las clasificaciones de resistencia a cortocircuitos

Cuando llega una barra al sitio, la placa de identificación lleva un grupo de valores que parecen simples pero que son fáciles de leer erróneamente: Icw = 50 ka / 1 s, Ipk = 105 kA. Si usted es el ingeniero responsable de la subestación o el integrador de sistemas que compra el electroducto, esta clasificación de resistencia a cortocircuitos le indica si el conductor sobrevivirá a una falla o fallará en el primer medio ciclo. En resumen, la clasificación define la tensión máxima de cortocircuito que la barra colectora puede soportar sin deformación permanente, ruptura del aislamiento o daño a las juntas. Una vez que comprenda dos valores, Icw e Ipk, toda la calificación se convierte en una herramienta de ingeniería en lugar de un número de hoja de datos.

Lo que realmente mide la clasificación de resistencia a cortocircuitos

Un cortocircuito envía una corriente a través de la barra colectora que puede ser decenas de veces mayor que la corriente nominal. La barra colectora debe resistir dos efectos diferentes al mismo tiempo: el calentamiento debido a la corriente y la fuerza mecánica entre los conductores. Por lo tanto, cada calificación completa contiene dos valores.

Corriente soportada de corta duración (Icw)

Icw es el valor RMS de la corriente que la barra colectora puede transportar durante un período determinado, normalmente 1 s, 3 s o 4 s, sin exceder la temperatura máxima permitida. El efecto térmico sigue a I²t, lo que significa que el mismo aumento de temperatura puede resultar de una pequeña corriente durante un largo tiempo o de una gran corriente durante un corto tiempo. Para la contratación, la duración es tan importante como la propia corriente.

Corriente máxima soportada (Ipk)

Ipk es el valor instantáneo más alto de la corriente en el primer medio ciclo de la falla. Este pico produce la fuerza electrodinámica entre las fases de la barra colectora, y la fuerza es proporcional al cuadrado de la corriente. Una falla de 50 kA RMS en el primer pico se comporta como un martillazo, no como una carga estable. Los estándares definen la relación entre Ipk e Icw con un factor n.

El factor n de CEI 61439-1 conecta Ipk a Icw a 50 Hz.
Corriente nominal soportada de corta duración Icw	Factor de pico n (Ipk / Icw)
10 kA < Icw ≤ 20 kA	2.0
20 kA < Icw ≤ 50 kA	2.1
50 kA < Icw ≤ 100 kA	2.2

Por lo tanto, para una barra colectora de 50 kA / 1 s, la corriente máxima soportada suele ser de 105 kA. Si la instalación tiene un factor de asimetría alto, el primer pico real puede ser mayor, por lo que el valor del pico debe compararse con el cálculo de la red en lugar de suponerse.

Por qué la calificación decide la diferencia entre una falla y un desastre

Seleccionar una barra colectora con una clasificación de resistencia a cortocircuitos demasiado baja es uno de los errores más peligrosos en el diseño eléctrico, porque la falla aparece sólo en condiciones de falla, cuando ya es demasiado tarde para corregirla.

El efecto térmico es inmediato. Durante un cortocircuito, el calor se genera más rápido de lo que se puede disipar, por lo que el conductor se calienta casi adiabáticamente. En un segundo, un conductor que comienza a 65 °C puede alcanzar 200 °C o más, dependiendo de la densidad de corriente. Las uniones atornilladas son el eslabón más débil: a altas temperaturas, la presión del perno se relaja, la resistencia de contacto aumenta y la unión puede fallar incluso cuando el conductor visible parece intacto.

El efecto mecánico es aún más dramático. Dos conductores de barra colectora paralelos, separados por 100 mm y que transportan una corriente máxima de 100 kA, experimentan una fuerza de aproximadamente 20.000 N por metro, equivalente a colgar un peso de dos toneladas en cada metro de la barra colectora. La flexión, el agrietamiento del aislador y los arcos entre fases son resultados típicos cuando se excede la clasificación. El resultado no es una reparación menor; es un reemplazo de sección completa y una interrupción prolongada.

Requisitos típicos del proyecto para corriente soportada de corta duración por clase de voltaje; las duraciones varían de 1 s a 4 s.

Cómo se verifica la calificación: estándares, pruebas de tipo y datos honestos

Una clasificación de cortocircuito sólo tiene valor cuando está respaldada por evidencia. La referencia internacional para conjuntos de baja tensión es la IEC 61439-1, que define cómo se debe verificar Icw e Ipk. Para sistemas de barras colectoras de media y alta tensión, las pruebas se realizan de acuerdo con las normas de barras y aparamenta pertinentes.

Normas comunes utilizadas para la verificación de cortocircuitos de sistemas de barras.
Estándar	Alcance	Relevancia para la barra colectora
IEC 61439-1	Conjuntos de aparamenta y control de baja tensión	Define Icw, Ipk y el proceso de verificación del diseño.
CEI/TR 61641	Conjuntos cerrados de baja tensión	Prueba de falla de arco interno para electroductos cerrados
GB/T 7251,1	Montajes de baja tensión en China	Implementación nacional alineada con IEC 61439
IEEE C37.23	Autobús cerrado de metal	Requisitos de cortocircuito y aumento de temperatura para el autobús de la estación

IEC 61439 permite tres rutas de verificación: prueba de tipo en un laboratorio de alta potencia, verificación del diseño mediante cálculo o comparación con un diseño de referencia. En una prueba de tipo, la barra colectora transporta toda la corriente nominal de corta duración durante el período indicado y el aumento de temperatura se mide nuevamente después de la prueba. La disposición probada, incluido el espaciado de los conductores, la distancia de soporte y el recinto, debe coincidir con el producto tal como se entrega.

Cuando compare ofertas competitivas, solicite el informe de prueba de tipo y verifique tres cosas: el valor actual, la duración y la configuración de la prueba. Un informe sobre otra distancia entre conductores o sobre otro tramo de soporte no prueba nada sobre su configuración.

¿Qué determina cuánta corriente de cortocircuito puede sobrevivir una barra colectora?

La clasificación impresa en la etiqueta es el resultado de elecciones de diseño específicas. Cuatro factores son los más importantes.

Material del conductor y sección transversal. El cobre tiene menor resistividad y mayor capacidad calorífica, por lo que absorbe más calor para el mismo aumento de temperatura. La aleación de aluminio necesita una sección transversal mayor para el mismo Icw, razón por la cual las barras colectoras tubulares de alto voltaje utilizan tubos de gran diámetro.
Forma del conductor y espaciamiento de los soportes. La resistencia electrodinámica depende del módulo de sección del conductor y de la distancia entre soportes. Un conductor tubular tiene un alto momento de inercia y resiste mejor la flexión que una barra plana de la misma área.
Calidad conjunta. Las uniones atornilladas suelen ser el punto límite. El área de contacto, el revestimiento y el torque de los pernos determinan si la resistencia de la unión se mantiene baja después de una falla de alta corriente.
Sistema de aislamiento. Para barras colectoras completamente aisladas y de resina fundida, el material aislante establece la temperatura máxima permitida durante una falla. La fundición epoxi proporciona un límite térmico definido, mientras que el aislamiento a base de caucho se comporta de manera diferente a la misma temperatura.

Aumento ilustrativo de la temperatura del conductor a densidad de corriente constante; La curva más pronunciada del aluminio explica por qué necesita una sección transversal más grande para los altos requisitos de Icw.

Esta es la ingeniería práctica detrás de la clasificación: un fabricante no puede aumentar la clasificación de cortocircuito simplemente cambiando la etiqueta. Requiere más material conductor, un sistema de soporte más fuerte, un mejor diseño de unión o una combinación de los tres.

Cómo especificar la clasificación de resistencia a cortocircuitos adecuada

La calificación correcta no es el número más alto del mercado; es el valor adaptado a la posible corriente de cortocircuito en el punto de instalación, los ajustes de protección y la tensión del sistema. El siguiente proceso funciona en la mayoría de los proyectos:

Obtenga el posible nivel de falla de la empresa de servicios públicos o del ingeniero de diseño de la red en el punto de conexión.
Elija Icw para que no sea inferior a la corriente de falla calculada, con un margen adicional para futuras expansiones.
Confirme la duración: el electroducto de baja tensión suele tener una duración nominal de 1 s porque los disyuntores se limpian rápidamente, mientras que los sistemas de media tensión suelen utilizar 31,5 kA/4 s para igualar la coordinación de protección.
Verifique Ipk con respecto a la separación de los apoyos: la resistencia mecánica depende de la distancia entre los apoyos, no sólo del propio conductor.
Compare informes de pruebas de tipo en lugar de números de hojas de datos y confirme que la configuración probada coincida con su instalación.

Para la distribución de bajo voltaje, los diseños de electroductos compactos de alta densidad mantienen un Icw alto en una sección transversal pequeña, lo cual es importante en centros de datos y edificios industriales donde el espacio es reducido. El siguiente cuadro muestra una combinación típica de clases de Icw que se observan en proyectos de vías de bus de bajo voltaje.

50 kA / 1 s — 45 %
100 kA / 1 s — 20 %
30 kA / 1 s — 15%
65 kA / 1 s — 12%
80 kA / 1 s — 8 %

Proporción ilustrativa de especificaciones de proyectos de vías de bus de bajo voltaje por clase Icw, según consultas industriales y de centros de datos comunes.

Cuando el proyecto necesita un electroducto compacto probado con una alta clasificación de fallas, vale la pena comparar un sistema de electroductos compacto con uniones verificadas con diseños convencionales.

Compact Cast-Resin Busway for Low-Voltage Distribution

Conducto bus compacto de resina fundida para distribución de bajo voltaje Este electroducto de resina fundida de bajo voltaje utiliza una disposición densa y aislamiento epóxico para ahorrar espacio mientras maneja corrientes de 400 A a 5000 A. Sus uniones verificadas lo convierten en una opción práctica al comparar diseños de electroductos con clasificación de fallas. Ver producto →

En media tensión, una barra colectora tubular completamente aislada con fundición de resina epoxi reduce el espacio entre fases y proporciona un límite de aislamiento definido durante un cortocircuito, lo que hace que el cálculo de resistencia sea más predecible.

Epoxy-Cast Tubular Busbar with Integrated Insulation

Barra colectora tubular de fundición epoxi con aislamiento integrado Esta barra colectora tubular completamente aislada está formada por fundición al vacío automatizada, lo que proporciona una estructura de conductor y blindaje sin costuras. Su comportamiento de aislamiento definido ayuda a los ingenieros a predecir la resistencia a cortocircuitos en media tensión. Ver producto →

En subestaciones de muy alto voltaje, el diámetro del conductor, el espesor de la pared y la luz de soporte de las barras colectoras tubulares de aleación de aluminio de alta resistencia se seleccionan en función de la corriente nominal y la fuerza de cortocircuito. Si se encuentra en la etapa de selección, cómo elegir la barra colectora adecuada para sistemas de media y baja tensión cubre las ventajas y desventajas prácticas.

High-Strength Aluminum-Alloy Tubular Busbar for EHV

Barra colectora tubular de aleación de aluminio de alta resistencia para EHV Construida para sistemas de 220 kV a 1000 kV, esta barra colectora de aleación de magnesio y aluminio combina una alta resistencia mecánica con una conductividad confiable. La revisión de sus clasificaciones de nivel de falla y sus informes de pruebas de tipo respalda la selección segura de subestaciones de voltaje extra alto. Ver producto →

Comparta el estudio de nivel de falla con el equipo de ingeniería y solicite el informe de prueba de tipo correspondiente antes de que comience la producción.

Preguntas frecuentes sobre las clasificaciones de resistencia a cortocircuitos

¿Cuál es la diferencia entre Icw e Ipk?

Icw es la corriente RMS que la barra colectora puede transportar durante un período determinado sin sobrecalentarse. Ipk es el valor máximo del primer ciclo de la falla, que crea la fuerza mecánica. Una barra colectora de 50 kA/1 s normalmente tiene un Ipk de 105 kA a 50 Hz.

¿Por qué algunas clasificaciones dicen 50 kA/1 s y otras 31,5 kA/4 s?

La diferencia es la duración. Un segundo es adecuado para sistemas de baja tensión con interruptores rápidos. Cuatro segundos es común en sistemas de media tensión donde la coordinación de protección puede retrasar el disparo. Al duplicar la duración se duplica el calentamiento I²t, por lo que la sección del conductor debe ser mayor.

¿Se puede reutilizar una barra colectora después de un cortocircuito real?

Una barra colectora que haya sufrido una falla debe inspeccionarse incluso si parece intacta. Primero verifique las uniones atornilladas, las superficies aislantes y los soportes. Si se produce un arco, reemplace las secciones de aislamiento afectadas, porque las propiedades del material pueden haber cambiado permanentemente.

¿Una clasificación de cortocircuito más alta siempre cuesta más?

No proporcionalmente. El aumento de la sección transversal del conductor aumenta la clasificación, pero un mejor diseño de unión o una disposición de soporte más densa pueden aumentar la capacidad de resistencia con menos material. Compare la configuración probada, no solo la etiqueta.

La clasificación de resistencia a cortocircuitos es el número que separa una barra colectora que permanece en servicio después de una falla de otra que desaparece del proyecto en un solo ciclo. Lea el valor completo, incluida la duración y la corriente máxima, y solicite el informe de prueba de tipo que lo respalda. Cuando el nivel de falla en el sitio es mayor que la clasificación, las consecuencias no son teóricas, así que confirme las especificaciones con el fabricante antes de que comience la producción.