Calculadora de Cortocircuito para Transformadores: Fórmulas, Recomendaciones y Ejemplo Práctico

¿Qué es la Corriente de Cortocircuito?

La corriente de cortocircuito es la corriente máxima que puede fluir a través de un transformador cuando ocurre un cortocircuito en el sistema eléctrico.

El valor de esta corriente es crítico porque determina la selección de los dispositivos de protección, como interruptores automáticos y fusibles, así como el diseño de cables y sistemas de puesta a tierra.

Factores clave en el cálculo de corriente de cortocircuito

1. Potencia nominal del transformador (kVA o MVA): Es la capacidad del transformador para transferir potencia entre sus devanados primario y secundario. Se expresa en kilovoltio-amperios (kVA) o megavoltio-amperios (MVA).
2. Tensión nominal del transformador (V o kV): Es la tensión a la que está diseñado el transformador para operar. Para el cálculo del cortocircuito, se considera la tensión en el secundario, ya que allí es donde se suele realizar la evaluación del cortocircuito.
3. Impedancia del transformador (%Z): Es un valor que generalmente se expresa como un porcentaje de la impedancia relativa al transformador. La impedancia se refiere a la resistencia y reactancia total que ofrece el transformador al paso de corriente. Este valor es fundamental para determinar la corriente de cortocircuito.
4. Configuración del sistema (monofásico o trifásico): La configuración del sistema afecta la forma en que se calcula la corriente de cortocircuito.

Fórmulas para el cálculo de la corriente de cortocircuito en transformadores

El cálculo de la corriente de cortocircuito en un transformador puede realizarse utilizando las siguientes fórmulas, que se diferencian dependiendo de si se trata de un sistema monofásico o trifásico:

Para sistemas trifásicos:

Donde:

• Icc, es la corriente de cortocircuito (en amperios, A).
• SkVA, es la potencia nominal del transformador (en kilovoltio-amperios, kVA).
• Vsec,​ es la tensión en el secundario del transformador (en voltios, V).
• Z_T​ es la impedancia del transformador, expresada en porcentaje (%) y convertida a su valor decimal.

Para sistemas monofásicos:

En ambos casos, la corriente de cortocircuito es inversamente proporcional a la impedancia del transformador y directamente proporcional a la potencia nominal y la tensión en el secundario.

Ejemplo práctico

Datos de referencia:

• Potencia del transformador: SkVA=500 kVA.
• Tensión secundaria: Vsec=480 V
• Impedancia del transformador: Z_T=5%

En este caso, realizaremos el cálculo para un sistema trifásico.

Paso 1: Convertir la impedancia a un valor decimal

La impedancia del transformador se proporciona en un porcentaje, por lo que debe ser convertida a su valor decimal:

Paso 2: Aplicar la fórmula de corriente de cortocircuito trifásica

Usamos la fórmula para sistemas trifásicos:

Paso 3: Realizar los cálculos

Primero, calculamos el denominador:

Ahora, calculamos el numerador:

Finalmente, calculamos la corriente de cortocircuito:

La corriente de cortocircuito en el secundario del transformador es de 12,029.6 amperios.

Este valor indica la corriente que fluiría en el caso de un cortocircuito en los terminales secundarios del transformador.

Este valor es crítico para seleccionar interruptores y dispositivos de protección, ya que estos deben ser capaces de interrumpir la corriente de cortocircuito sin sufrir daños o poner en riesgo la seguridad del sistema eléctrico.

Importancia de la impedancia

Cabe destacar que la impedancia del transformador tiene un impacto significativo en la corriente de cortocircuito.

Un transformador con una impedancia más alta generará una corriente de cortocircuito más baja, lo que puede facilitar la selección de dispositivos de protección.

Por el contrario, una impedancia baja resultará en una corriente de cortocircuito más alta, lo que requerirá equipos de protección más robustos.

Factores adicionales

Además de los datos proporcionados en el ejemplo, es importante considerar otros factores que pueden influir en el cálculo de cortocircuito, como la longitud y tipo de conductores conectados al transformador, las conexiones a tierra y los equipos intermedios.

Estos factores pueden incrementar o reducir ligeramente la corriente de cortocircuito final.

Recomendaciones para el Cálculo de Cortocircuito en Transformadores

1. Verificar los Datos del Transformador: Asegúrate de que la impedancia y los voltajes primario y secundario sean correctos y reflejen las condiciones reales de operación.
2. Considerar la Caída de Tensión: Aunque no afecta directamente el cortocircuito, una caída de tensión significativa podría alterar las condiciones bajo las cuales se realiza el cálculo.
3. Evaluar el Uso de Software Especializado: En sistemas grandes o complejos, es recomendable usar software especializado para simular el cortocircuito y obtener valores más precisos.
4. Revisar Normativas Locales: Además del NEC y la NFPA, revisa las normativas locales aplicables a tu país o región.

Como calcular el nivel de cortocircuito de un transformador en 1 solo paso:

Paso 1:

Para calcular el nivel de cortocircuito de un transformador se debe dividir la potencia entre el voltaje, multiplicado por raíz de tres y la impedancia del transformador.

Ejemplo: Una transformador de 75000VA tiene un voltaje en baja tensión de 220V y una impedancia de 3.5 %, para encontrar el nivel de corto se debe dividir 75000/(220*√3*0,035) lo cual dará como resultado: 5623kA.

Nota: 3,5% en decimales es 0,035

Ejemplos de calculo de niveles de cortocircuito:

Ejemplo 1:

Un transformador trifasico de una subestacion de media tensión tiene una potencia de 630000VA, un voltaje primario de 13200V y un voltaje secundario de 480V, con una impedancia de 5%, que nivel de cortocircuito tiene el transformador en baja tensión (Lado secundario).

Rta:// Para encontrar la respuesta se debe multiplicar el voltaje por raíz de tres y la impedancia, de la siguiente manera: 480x√3×0,05=41,5, luego debes dividir 630000VA entre el anterior resultado 41,5, lo cual dara como resultado, 630000VA/41,5=15155kA.

Ejemplo 2:

El transformador de una planta industrial es de 500000VA trifasico, con un voltaje de 4160V en el secundario y una impedancia de 5%, cual sera el nivel de corto de este transformador.

Rta:// Para saber el nivel de corto se deberá dividir los VA entre la multiplicación del voltaje, raíz de tres y la impedancia, de la siguiente manera: 500000VA/(4160Vx√3×0,05) = 1387kA .

Ejemplo 3:

El transformador de un pequeño edificio es de 25000VA monofasico, con un voltaje de 240V y una impedancia de  3%, cual sera el nivel de cortocircuito del transformador.

Rta:// Para encontrar la respuesta solo deberás reemplazar las variables en la calculadora de nivel de corto circuito y esta automáticamente dará la respuesta de: 3472kA.

Valores típicos de impedancia porcentual:

La impedancia porcentual de un transformador es un valor medido que se encuentra impreso en la placa de identificación y que en realidad es una medición de voltaje.

Es una prueba que los fabricantes hacen para los transformadores de distribución de energía y se utiliza en el cálculo de la corriente de falla. Esto es importante para coordinar dispositivos de protección contra sobrecorriente (OCPD), análisis de cortocircuitos, análisis de armónicos y estudios de arco eléctrico.

Si un transformador tiene una impedancia de 6.33%, requeriría 6.33% de la tensión primaria de entrada para generar el 100% de la corriente nominal en los devanados secundarios cuando ocurre una falla en el peor de los casos.

En los sistemas de distribución eléctrica, la peor falla es cuando una barra metálica de baja impedancia corta las líneas y se llama falla atornillada.

Ahora, si el 100% de la tensión se aplica a la entrada primaria, entonces aproximadamente (100/6.33 = 15.8xCorriente nominal), fluiría en el devanado secundario bajo un fallo en la peor condición. Esta es la corriente máxima de cortocircuito que tendríamos en el sistema.

Tamaño del transformador(kVA)	Valores típicos de% Z
0-150	Por debajo del 4%
151-300	4%
301-600	5%
601-2500	6%
2501-5000	6.5%
5001-7500	7.5%
7501-10000	8.5%
Por encima de 10kVA	9.5%

Tabla de niveles de corto circuito (Voltaje 220v – 3Ø):

VA	Impedancia (%)	kA
5000	4%	328.04
7500	4%	492.06
10000	4%	656.08
15000	4%	984.12
25000	4%	1640.20
37500	4%	2460.30
30000	4%	1968.24
45000	4%	2952.36
50000	4%	3280.40
75000	4%	4920.60
112500	4%	7380.90
150000	4%	9841.20
225000	4%	14761.80
300000	4%	19682.40
400000	5%	20994.56
500000	5%	26243.19
630000	6%	27555.35
750000	6%	32803.99
800000	6%	34990.93
1000000	6%	43738.66
1250000	6%	54673.32
1600000	6%	69981.85
2000000	6%	87477.31
2500000	6%	109346.64

Nota: Los niveles de corto circuito presentados en la anterior tabla son de referencia y no se debe utilizar para dimensionar ningún tipo de sistema eléctrico.

Para dimensionar los sistemas eléctricos se debe utilizar los datos de placa exactos del fabricante del transformador que se utilizara en la instalación eléctrica.

Preguntas Frecuentes (FAQ)

1. ¿Qué es un cortocircuito en un transformador?
Un cortocircuito es una falla eléctrica que ocurre cuando un conductor energizado toca otro conductor o superficie de distinto potencial, permitiendo que la corriente fluya sin control.

2. ¿Cómo se determina la impedancia de un transformador?
La impedancia de un transformador se encuentra en la placa de características y se expresa en porcentaje (%Z).

3. ¿Qué tan preciso es el método clásico de cálculo?
El método clásico es preciso en la mayoría de los casos, pero en sistemas complejos o grandes distancias, es recomendable usar métodos más avanzados o software de simulación.