Tercer transformador en paralelo: 26 kA contra un tablero de 25 kA y coordinación desactualizada
Una planta recibe servicio en 13.8 kV y tiene una subestación con dos transformadores de 5 MVA, 13.8/4.16 kV, Z = 9 %, operando en paralelo sobre un bus de 4.16 kV. El tablero de 4.16 kV tiene interruptores con capacidad interruptiva de 25 kA simétricos y relevadores 50/51 electromecánicos. El estudio de cortocircuito vigente es de 2012 y reporta 16.8 kA en el bus, incluyendo 1.4 kA de contribución de motores. Para atender un molino nuevo se proyecta una tercera unidad idéntica, más dos motores síncronos de 3,000 hp con arranque a tensión plena. El proveedor del tablero afirma que «hay margen porque el estudio da 16.8 kA y el tablero aguanta 25 kA», y la ingeniería de planta propone simplemente conectar la tercera unidad en paralelo. No se ha actualizado el estudio ni revisado la coordinación desde 2012.
1. Calcule la corriente de falla prospectiva en el bus de 4.16 kV con las tres unidades y determine si el tablero existente es adecuado.
Read the worked answer
Aportación por transformador. Corriente nominal a 4.16 kV: I = 5,000 kVA / (√3 × 4.16 kV) ≈ 694 A Icc por unidad = 694 / 0.09 ≈ 7.71 kA
Tres unidades en paralelo: 3 × 7.71 ≈ 23.1 kA
Contribución de motores. Los dos síncronos de 3,000 hp aportan del orden de 3.0–3.5 kA en el primer ciclo (mayor que los 1.4 kA actuales, que correspondían a motores de menor tamaño). Total estimado: 23.1 + 3.3 ≈ 26.4 kA
Comparación con la placa del tablero. 26.4 kA > 25 kA. El tablero no es adecuado, y el margen aparente es falso por tres razones:
- El estudio de 2012 corresponde a dos unidades; nunca evaluó la tercera.
- La impedancia de placa tiene tolerancia de fabricación (típicamente ±7.5 %); el caso de menor impedancia puede elevar la falla fácilmente por encima de 26 kA.
- Debe revisarse además el régimen de cierre y retención (momentáneo), del orden de 1.6 veces la capacidad simétrica, y el X/R del sistema, que define la componente de CD y el pico asimétrico.
Conclusión: no se puede autorizar la conexión de la tercera unidad con base en el estudio de 2012 ni con la afirmación del proveedor. Se requiere estudio actualizado con la configuración futura, impedancias reales de placa e impedancia de la fuente en 13.8 kV.
2. Analice el efecto de la tercera unidad en paralelo sobre los elementos instantáneos (50) de los relevadores de alimentador yexplique el riesgo de coordinación.
Read the worked answer
Dos efectos opuestos que rompen la coordinación existente:
1. Corriente por rama reducida. Para una falla en el bus, cada transformador aporta aproximadamente un tercio de la corriente total. Un elemento 50 ajustado en 2012 para ver, por rama, una fracción de los 16.8 kA puede quedar por debajo de su umbral y no disparar, dejando la falla alimentada indefinidamente por las tres unidades y por los motores.
2. Corriente de falla aguas abajo aumentada. Para una falla en un alimentador de molino, ahora la alimentan tres transformadores en paralelo en lugar de dos. El relevador 50 del alimentador afectado ve más corriente, pero el 50 del interruptor general también ve más corriente de aporte por el bus. Si los ajustes no se recalculan, el general puede disparar antes que el alimentador: pérdida total del bus de 4.16 kV en lugar de despeje selectivo de un solo circuito, con paro de toda la planta.
3. Consecuencia térmica y de seguridad. El tiempo de despeje se alarga, la energía incidente de arco aumenta (típicamente crece con el cuadrado del tiempo de despeje) y la categoría de riesgo del equipo puede subir. La coordinación electromecánica 50/51 con transformadores en paralelo es especialmente sensible porque las curvas se desplazan con el número de fuentes en servicio.
Conclusión: la coordinación es tan crítica como la capacidad interruptiva; ambas deben reestudiarse en el mismo paquete, con la configuración de tres unidades y con escenarios de una, dos y tres unidades en servicio.
3. Recomiende una solución técnica, compare alternativas y explique por qué la intervención en la impedancia de la fuente es la vía más eficiente.
Read the worked answer
Alternativa A - Reactor de corriente limitadora en el secundario de cada transformador. Un reactor del 5 % sobre base 5 MVA añade 0.15 pu (base 15 MVA) a cada rama: Z por rama = 0.27 + 0.15 = 0.42 pu; equivalente en paralelo = 0.14 pu. Icc transformadores = 2,082 A / 0.14 ≈ 14.9 kA, más motores (~3.3 kA) ≈ 18.2 kA, holgado bajo 25 kA. Ventajas: conserva el tablero, reduce también la energía de arco, costo muy inferior al reemplazo. Desventajas: caída de tensión y pérdidas (I²R) permanentes, y hay que verificar la regulación en arranque de los 3,000 hp.
Alternativa B - Reemplazar el tablero por uno de 40 kA. Elimina la restricción de capacidad pero no reduce la energía incidente; es la opción más cara (tablero, estudios, tiempo de paro) y suele requerir reconfiguración de espacio.
Alternativa C - Tercera unidad de mayor impedancia. Poco eficaz: si las dos existentes son de 9 %, la tercera a 12 % solo baja el total a ~21 kA antes de motores, quedando al filo del límite. Se descarta.
Alternativa D - Operar solo dos unidades en paralelo. Válida como medida temporal, pero limita la capacidad de planta y no resuelve el crecimiento.
Recomendación: reactor limitador (A) + estudio de cortocircuito y coordinación actualizado + revisión de la capacidad de cierre y retención del tablero. Intervenir la impedancia ataca la causa (la fuente de la corriente) en lugar del síntoma, es la opción de menor costo total y protege a todo el bus, no solo al molino nuevo. Antes de energizar, verificar además el aporte de los motores síncronos en el primer ciclo, que suele subestimarse.