Artículo escrito por Garcerán Rojas, socio y fundador de PQC.
Siempre hemos oído hablar de cortocircuitos, pero ¿cómo lo identificamos? Un cortocircuito se manifiesta cuando se ponen en contacto dos o más conductores entre los que existe una diferencia de potencial. Se trata de una de las faltas más habituales en una instalación eléctrica.
El cortocircuito puede producirse a través de un medio impedante, por ejemplo una pérdida progresiva de aislamiento en conductores, o de forma directa, en cuyo caso se dice que se ha producido un cortocircuito franco. En cualquier caso, se trata de una situación que sobreviene de forma generalmente inesperada, y para la cual debe encontrarse todo el sistema preparado.
Un sistema eléctrico debería ser diseñado y mantenido de forma que se proteja a sí mismo automáticamente, es decir, una instalación eléctrica debe estar preparada para responder ante cualquier situación previsible que se presente, siendo el cortocircuito una de las más previsibles a lo largo de la vida útil de cualquier instalación.
Las consecuencias inmediatas, en caso de que no actúe con rapidez la protección, son una enorme liberación de energía en forma, normalmente, de arco eléctrico, con el consiguiente riesgo de incendio y destrucción de componentes.
El dimensionamiento de las protecciones se erige, por tanto, en uno de los principales garantes de la seguridad general de un sistema eléctrico, debiendo encontrarse, cada una de ellas, con la capacidad suficiente para intervenir ante la peor situación que se pueda manifestar en sus circuitos asociados. Y aun así, no existe completa seguridad si el dimensionamiento de las protecciones no va acompañado de un correcto criterio en el ajuste (aprovechando al máximo las posibilidades que nos ofrecen los relés de protección y, en particular, el ajuste instantáneo) y la manipulación de las mismas (por ejemplo, un intento repetido de cierre sobre un cortocircuito puede desencadenar la destrucción de un interruptor, incluso aunque su dimensionamiento sea correcto, ya que no debemos olvidar que a la hora de seleccionar componentes de esta naturaleza para un cuadro eléctrico se utiliza el valor conocido como corriente última de cortocircuito Icu que, en términos simplificados, es aquella que el interruptor puede abrir una sola vez).
Existen varios tipos de cortocircuito, tantos como combinaciones entre conductores puedan considerarse. Para su cálculo en un sistema trifásico, y para el dimensionamiento de las protecciones, lo más habitual es analizar el que se produce simultáneamente entre los tres conductores de fase aunque luego haya que verificar que los ajustes de esas protecciones les permiten intervenir a tiempo cuando se dan otros tipo de cortos de menor nivel que pueden crear arcos y que son potencialmente muy destructivos (entre dos fases, entre fase y neutro, entre fase y tierra, etcétera).
A la hora de dimensionar una protección, se debe elegir un modelo cuyo poder de corte se encuentre por encima de la máxima corriente de cortocircuito prevista para el punto de colocación. Es algo que debería ser de sobra conocido pero que, al hilo de lo observado en numerosas revisiones de instalaciones y de proyectos, no resulta cierto, siendo muy habituales los errores que se producen al tratar este concepto y, por tanto, muy importantes los riesgos que, por ello, se introducen en las instalaciones.
Los tradicionales fusibles
El sistema de protección más fiable ante el fenómeno del cortocircuito ha sido, históricamente, el fusible, cuyas características de limitación de corriente lo hacen muy apropiado para la eliminación de la corriente prevista de cortocircuito transformando ese teórico alto nivel en un valor muy reducido de energía específica pasante, con lo que, tanto las infraestructuras asociadas como todos los elementos del circuito eléctrico situados aguas abajo de él se ven claramente beneficiados.
Sin embargo, para evitar las limitaciones del mismo en cuanto al corte omnipolar y al hecho de necesitar sustitución, para esa función se colocan de forma generalizada los interruptores automáticos (aunque hay que mencionar que la tecnología del fusible sigue siendo muy aplicada en entornos industriales, donde muchos de los cuadros de última generación vienen equipados enteramente con ese tipo de dispositivos).
El objetivo es siempre prevenir al personal ante incidentes, minimizar los daños en los equipos y limitar la extensión y duración de las interrupciones cuando se da un fallo del equipo, un error humano o un suceso natural adverso.
Para calcular el máximo nivel de cortocircuito que se puede presentar en un punto determinado, y en una primera aproximación, se parte de una potencia de red infinita (en fases sucesivas se van incorporando impedancias de red si el cálculo resulta ajustado para las necesidades de acudir a un aparellaje de gama más baja). A partir de ahí se consideran las impedancias de los elementos de suministro y la de los conductores existentes, marcando así el mapa completo sobre el que realizar las operaciones.
No vamos a desarrollar aquí ningún cálculo básico pero sí realizaremos distintas observaciones sobre los elementos típicos de suministro en un centro de datos y su relación con el fenómeno del cortocircuito.
Los transformadores
Se trata de los elementos que han dispuesto de las menores impedancias de cortocircuito, por lo que han sido los mayores aportadores. Su contribución tiene un cálculo sencillo y sobre ese no suelen identificarse errores dignos de mención. En un entorno de data center, en las topologías habituales, no se da la agrupación de unidades en paralelo, por lo que, salvo en aquellos casos de alta concentración de carga o de agrupación de cargas TI con las de clima, no se alcanzan altas intensidades de cortocircuito.
Precisar también que, desde la irrupción en el mercado de los transformadores secos, las corrientes de corto se han reducido, dadas las mayores impedancias de estos modelos con respecto a sus antecesores de otras tecnologías. Además, para rebajar las corrientes de corto en los secundarios, se está recurriendo a solicitar la construcción de trafos con mayores niveles de impedancia, algo que, si bien consigue el efecto deseado, lo hace a cambio de provocar que el transformador tenga un peor comportamiento ante el paso de corrientes con contenido armónico, midiéndose en ellos importantes distorsiones en la tensión de secundario.
A los grupos electrógenos se les ha prestado poca atención en lo que se refiere a esto de los cortocircuitos, ya que, históricamente, sus valores de impedancia eran mucho más elevados que los de los trafos y, por ello, todo el material seleccionado para el primer cálculo era más que válido para este. Sin embargo, y habida cuenta de que los grupos sí que se presentan en topologías de conexión en paralelo (y muchas veces de bastantes unidades) y que su impedancia es cada vez menor (la reactancia subtransitoria es el parámetro habitual de referencia), puede darse el caso, y de hecho se da, que la intensidad de corto debida a los grupos supere la propia de los trafos, con lo que si el dimensionamiento de base se efectúa para éstos, es muy posible que no sean válidos cuando entran los grupos en funcionamiento.
Por último los SAIs
En el caso de los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAIs), lo auténticamente importante es conocer el comportamiento de la máquina ante cada supuesto y garantizar que las protecciones actuarán correctamente ante todos ellos. Cada fabricante tiene una tecnología distinta que debe ser conocida por el diseñador. Hay máquinas que son capaces de sostener un determinado corto, mientras que otras pasan directamente a circuito de rodeo.
Normalmente este tipo de elementos no incorpora exigencias en cuanto al cálculo de la máxima corriente, pero sí presenta unas ciertas peculiaridades al tratar los cortos en su secundario, donde el rango de los mismos es de naturaleza menor.
De la afirmación anterior hay que excluir, sin embargo, los SAIs rotativos, que sí presentan unas impedancias de cortocircuito ciertamente bajas y topologías de conexión en paralelo, por lo que las protecciones asociadas a sus circuitos derivados deben ser estudiadas con detalle. Si, al pensar que se trata de SAIs, el diseñador cree que van a ser como sus hermanos de tecnología estática, el error está servido y, con ello, sus consecuencias.
En definitiva, cómo calcular correctamente un sistema eléctrico es algo a lo que hay que dedicar un poco de tiempo y que no se aprende en un día. Es importante conocer lo que se está haciendo, tener experiencia en ello y huir como de la peste de lo que hemos bautizado como el síndrome de la hoja de cálculo o “efecto Excel”. Ese amigo que, de la misma forma que si le pides que te sume kVAs, va y lo hace sin rechistar, aquí te la puede liar parda y convertirse en el peor de tus enemigos.
Cuando en una instalación todo está bien, cualquier diseño vale. Incluso no harían falta ni protecciones, pero cuando algo se desvía es cuando empiezan a apreciarse las diferencias entre unas y otras.
El cortocircuito es un fenómeno que a lo largo de la vida de una instalación, se va a manifestar con casi total probabilidad. De la capacidad de la misma para hacer frente al problema y eliminarlo sin afectar al resto del sistema dependerá directamente el éxito del negocio.
