1813 - Coordinacion de Protecciones de La Red Electrica de La Esime Zacatenco

 

 

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

“COORDINACION DE PROTECCIONES DE LA RED ELECTRICA DE LA ESIME ZACATENCO”

TESIS  QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN: CERVANTES MARTINEZ SEBASTIAN VILLEGAS FRANCO JORGE

ASESORES: ING. RICARDO OMAR ALVAREZ GAMEZ M. EN C. JUAN ABUGABER FRANCIS 

México D.F. a 30 de Enero del 2009

 

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INDICE INDICE NOMENCLATURA RESUMEN INTRODUCCIÓN

………………………… ……………………………………….. …………….. ………………………… ……………………………………….. …………….. ………………………………………. ………………………………………... ………………………… ……………………………………….. ……………..

CAPITULO 1 1 Sistemas de protección ………………………………………. ………………………………………... 1.1 Tablero de protección ………………………………………. ………………………………………... 1.2 Tipos de fallas eléctricas ……………………………………….. ……………………………………….. 1.2.1 Sobrecarga ………………………………………. ………………………………………... 1.2.2 Corto Circuito ………………………… ……………………………………….. …………….. 1.2.3 Falla de Aislamiento ………………………………………. ………………………………………... 1.3 Elementos de protección ………………………………………. ………………………………………... 1.3.1 Los relevadores ………………………………………. ………………………………………... 1.3.1.1 Tipos de relevadores ………………………………………. ………………………………………... 1.4 Interrupt Interruptores ores ……………………………………….. ………………………………………. . 1.4.1 Interruptores en pequeño y gran volumen de aceite ………………………………………. ………………………………………... 1.4.2 Interruptor neumático y en Hexafloruroo de Azufre Hexaflorur ………………………………………. ………………………………………... 1.4.3 Interruptores en vacío ……………………………………….. ……………………………………….. 1.4.4 Interruptor termomagnétic termomagnético o ………………………… ……………………………………….. …………….. 1.4.5 Interrupt Interruptor or o protector diferencial …………………………. 1.5 Protección contra sobrecorr sobrecorriente iente …………………………. 1.5.1 Fusibles o cortacirc cortacircuitos uitos …………………………. 1.5.2 Interruptores automáticos magnetotérmi magnetotérmicos cos …………… 1.5.3 Caracter Características ísticas de desconexión …………………………. 1.5.4 Protección contra sobrecargas …………………………. 1.6 Peligros de la Corriente Eléctrica …………………………. 1.6.1 1.6.2 1.6.3

2 4 5 6

8 8 9 9 9 9 10 10 10 11 12 12 12 12 12 14 17 17 18 19 20

Sistemas de protección de puesta a tierra …………… 20 Puesta a tierra de las masas metálicas de instalación instalación...……………… ...……………… 21 Tipos de toma a tierra ………………………… ……………………………………….. …………….. 22

CAPITULO 2 2 Coordinación de proteccion protecciones es …………………………. 2.1. Objetivo de la Coordinación de protecciones……………. protecciones… …………. …………… 2.1.2 Condiciones mínimas de la selectividad…… selectividad……...…………. ...…………... …………… 2.2 Consideracio Consideraciones nes primarias …………………………. 2.2.1 Corrient Corrientes es de corto circuito …………………………. 2.2.2 Intervalos y tiempos de coordinación …………………………. 2.2.3 Capacidad de corriente de un cable …………………………. 2.2.4 Saturación de transfo transformadores rmadores de corriente……………. corriente……… ……. …………… 2.2.5 Como leer las curvas de tiempo-corriente………………. tiempo-cor riente………………... ……………

23 23 24 26 26 26 27 27 27 2

 

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2.2.6 2.3. 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4

Curvas ANSI para transform transformadores adores …………………………. Planificaci Planificación ón inicial ………………………………………. ………………………………………... Diagrama unifilar ………………………………………. ………………………………………... Símbolos estándar para los diagramas eléctricos …………… Ejemplo de un Diagrama Unifilar de una red eléctrica……… eléctrica………............. ............. Diagrama de impedancias y reactancia reactancias………………… s………………… ……………

28 30 30 31 33 34

2.3.5 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6

Diagrama de unifilar la coordinación de proteccione protecciones……………… s……………… Corriente cortopara circuito ………………………… ……………………………………….. …………….. Estudio de corto circuito ………………………………………. ………………………………………... Justific Justificación ación ………………………………………. ………………………………………... Origen y consecuencias de los cortos circuitos …………… Requerimie Requerimientos ntos para el estudio de corto circuito …………… Tipos de cortos circuitos …………………………. Métodos para el cálculo de corto circuito……… circuito………………… ………… ……………

34 35 35 36 36 37 37 38

CAPITULO 3 3 Procedimient Procedimientoo y análisis de resultados …………………………. 3.1 Paso 1 “Diagrama Unifilar” ……………………………………….. ……………………………………….. 3.2 Paso 2 “Diagram “Diagramaa de Impedancias Impedancias"" …………………………. 3.3 Etapas y cálculo de corto circuito …………………………. 3.4 Calculo de corto circuito en la barra principal………… principal……………… …… …………… 3.4.1 Calculo de las reactancias del sistema …………………………. 3.5 Ajuste y Coordinación de Proteccion Protecciones es …………………………. 3.5.1 Selección de las protecciones proteccion es para transformadoress en B.T transformadore ……………………… …………………………. ….

41 41 45 46 47 48 54 54

CAPITULO 4 4 Estudio Económico del proyecto…… proyecto……….……… ….……… …………………………. 4.1 Análisis de precios unitarios ………………………………………. ………………………………………... 4.2 Análisis básico………………… básico…………………… … .……………………………… .……………………………………….. ……….. 4.3 Desglose de costos indirectos ……………….. ………………………….

63 64 65 66

4.4

67

Análisis para la determinaci determinación ón del factor del salario real….………..

CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA

………………………… ……………………………………….. …………….. 71 ………………………… ……………………………………….. …………….. 72 ……………………………………….. ……………………………………….. 73

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NOMENCLATURA Cambio de valores reales a una base en por unidad 

pu 

................................. Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica ................................. Unidad Profesional Zacatenco. .................................................................... Instituto Politécnico Nacional .................................................................... Comisión Federal de Electricidad .................................................................... Software de simulación y diseño en los sistemas de potencia ................................. (Electrical Power Sistem Analysis) Comisión Electrónica Internacional .................................................................... Certificado de Cálidad (Internacional Estándar Organitation) ....................... Comité Consultivo Nacional de Normalización de la Industria Eléctrica ................ (Norma Mexicana). Instituto Nacional Americano de Estandarización ....................... miembro de la la Organización Internacional de Estandarización ISO tensión ................................................................................................. corriente ................................................................................................. transformador de medición de corriente ................................................................. transformador de medición de potencial ................................................................. Hexafloruro de azufre .............................................................................. fusible de acompañamiento según norma UNE ....................................................... fusible rápido según norma UNE .............................................................................. fusible lento según norma UNE .............................................................................. corriente de falla o intensidad de corriente a la cual ha de fundir un fusible .......... pequeño interruptor automático .................................................................... valor de corriente nominal .................................................................... Frecuencia .................................................................... símbolo de la unidad de la frecuencia .................................................................... corriente de defecto a tierra .................................................................... alta tensión .................................................................... nivel de sensibilidad de la corriente baja tensión .................................................................... circuito breaker .................................................................... fuerza electromotriz .................................................................... Símbolo de la unidad de potencia aparente en kilo Volt-Ampéres. .......................... Impedancia .................................................................................... admitancia ....................................................................................

V(V) I (A) TC TP SF6 aM gT gF If PIA In (A) Fr (Hz) Hz Id (kA) AT (kV) Is (kA) BT (V) CB Fem (V) kVA Z (OHM) Y(MHO)

corriente alterna .................................................................................... corriente directa .................................................................................... mili Amperes .................................................................................... segundos .................................................................................... kilo Amperes .................................................................................... corriente a plena carga .................................................................................... corriente a rotor bloqueado .................................................................................... corriente de magnetización .................................................................................... conexión trifásica en estrella .................................................................................... transformador .................................................................................... tensión prefalla .................................................................................... punto de referencia para .................................................................................... corrientes de corto circuito en las fases a, b, c. ....................................................... Impedancia equivalente de sec. Positiva .......................................................

CD (V) mA (A) s kA Ipc (A) Irb (A) Imag (A) Y T Vf (V) P Ia, Ib, Ic Z1 

Impedancia equivalente de sec. Negativa

ESIME UPZ IPN CFE ETAP CEI ISO CCONNIE ANSI

CA (V)

....................................................... Z 2  4

 

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RESUMEN En este proyecto se realiza la coordinación de protecciones de la red eléctric eléctricaa de la ESIME Zacatenco, el cual conti contiene ene el procedi procedimiento miento para poder obtener lo loss objetivos de la tesi tesis, s, las consideraciones principales y cada uno de los puntos importantes para realizar el proyecto, así como algunos métodos de cálculo para el corto circuito. Menciona Mencionando ndo que toda coordinación parte de un diagrama unifilar actualizado de la red eléctrica a estudiar el cual debe contener los datos de cada uno de los componentes que la conforman como son: los conductores y sus calibres, alimentadores, subestaciones principales y derivadas, carga instalada, sus protecciones, transformadores, transformadores, etc. También se pretende dar información más amplia de lo que son las protecciones en una red eléctrica, como utilizarlas y aplicarlas, saber coordinar y ajustar con el mínimo error o incertidumbre en su operación. Este trabajo presenta conceptos sobre el tema de las protecciones, su uso en las redes de distribución, en qué tipos de fallas eléctricas son aplicables, así como su principio de funcionamiento. funcionamie nto. Para realizar la coord coordinación inación de las Protecciones de la Red Elé Eléctrica ctrica de la ESIME, se empieza el trabajo con información útil, concreta y entendible referente al tema; Empezando con información ssobre obre el sistema a prote proteger, ger, conceptos de coordinació coordinaciónn de protección, el objetivo de ddicha icha coordi coordinación nación y su jus justificación, tificación, pero princi principalmente palmente uunn procedimiento que nos lleve de forma correcta a la realización del objetivo de la tesis. Para poder llegar a cumplir con los objetivos de este proyecto se consultaron las siguientes normas, documentos y eestándares stándares de referencia que si sirven rven como bbase ase para este proyecto:   NOM-029-STPS-2005 mantenimiento mantenimien de lasOficial instalacione instalaciones s eléctricas en los centros de trabajo-condiciones de seguridad to (Norma Mexicana de la Secretaria del Trabajo y Previsión Social) NCH ELEC 4/84 Norma de electricidad de acuerdo al código eléctrico Nacional •  EE.UU. NF F 16-101 para las instalaciones eléctric eléctricas as en baja tensión. NMX-J-136-SCFI Norma Norma Oficial M Mexicana exicana de abreviaturas, números y símbolos •  usados en planos y diagramas eléctricos. EN Normas Normas Europeas •  UNE que significa Una Norma Española creada por el Instituto de Normaliza Normalización ción y •  Racionalización. La nomenclatura nomenclatur a y simbología de los arreglos unifilares y trifilar trifilares es de una subestación subestació n •  eléctrica están basados en las normas internacionales CEI (Comisión Electrotécnica Internacional), la norma americana ANSI. Y las normas mexicanas CCONNIE (Comité Consultivo Nacional de Normalizac Normalización ión de la Industria Eléctrica) •

•

  NOM-001-SEDE-20 NOM-001-SEDE-2005 05 Norma Oficial Mexicana Mexicana,, “Instalaciones Eléctricas (Utilización)” Comunicado de Luz y Fuerza del Centro informando la corriente de corto circuito en •  el punto de acometida, trifásico y monofásica. Estándar IEEE Std. 141-1993 "Recommended Practice for Electric Power Di Distribution stribution •  for Industrial Plants". IEEE Std. 399-1990 "Recommended Practice for Industrial and •  Estándar Commercial Power Systems Analysis”. En la represent representación ación del diagrama unifilar se utilizó el softwar softwaree llamado Auto CAD 2006, y para la simulación del corto circuito y la coordinación de protecciones de la Red Eléctrica de la ESIME Zacatenco se utilizo el software denominado ETAP (Electrical Power Sistem Analysis) que es el software y la herramient herramientaa más completa de análisis y control para el diseño, simulación y operación de sistemas de potencia eléctricos de generación, distribución e industriales. Esta herramienta dispone de una gran cantidad de módulos como son: redes CA ó DC, tendido y rutado de cables, redes de tierra, coordinación y selectividad de protecciones, y diagramas de Control de Sistemas CA y CD. 5

 

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INTRODUCCIÓN Es de conocimiento general, que las redes eléctricas de distribución tienen varios componentes y cada cada uno con características singul singulares, ares, éstos forman parte important importantee de todo el sistema eléctrico, cumpliendo cada uno con sus funciones específicas. Existen dentro de dichas redes: subestaciones, interruptores encargados de unir o abrir circuitos entre sí, transformadores de potencia potencia ó de corriente mejor conocidos como transformadores transformadores de medida, que se encargan de medir las características de la señal eléctrica para fines de protección y registro, seccionadores, que unen o separan circuitos, sólo por mencionar algunos. La Unidad Profesional Zacatenco del IPN cuenta con diversas áreas entre las cuales las más grandes son los edificios y laboratorios pesados, así como: laboratorios ligeros, áreas deportivas, áreas culturales, bibliotecas y alumbrado en general. Se sabe que todas las instalacion instalaciones es en conjunto consumen una gran cantidad de energía eléctrica diariamente. El problema es como mantener en un alto nivel la continuidad del servicio, y que cuando ocurran condiciones intolerables, reducir el número de cortes de energía eléctrica, ya que muchas veces el corte de eenergía nergía no suc sucede ede de desde sde la su subestación bestación principal si no que es ocasionada por algún equipo eléctrico deteriorado, viejo o mal instalado que no cumple su función adecuadament adecuadamente, e, como sucede con el que cuenta la Institución puesto que tie tiene ne aproxima aproximadamente damente un tiemp tiempoo de funcion funcionamiento amiento de mas 4400 años, en especial al tratarse de las protecciones eléctricas. La función de la protección eléctrica es detectar posibles fallas y proteger al sistema de cualquier falla, si es posible desconectar al equipo eléctrico en riesgo para así cuidar la instalación e interrumpir en lo más mínimo el servicio de la energía eléctrica. Para poder reducir los riesgos de que algún equipo se dañe, ó que ocurra algún accidente humano y tratar en lo más mínimo mínimo de interrumpir llaa energía eléctrica se tendrá que actualizar  la   la red eléctrica y se realizara la coordinación coordinación de  de las protecciones para una mayor confiabilidad. Es por eso que se toman como objetivos principales de esta tesis los siguientes puntos:   Realizar la coordinación de protecciones de la red eléctrica de la ESIME Zacatenco Zacatenco.. levantamientoo del diagrama eléctrico actualizado de la ESIME.   Realizar el levantamient Determinar inar las corrientes de corto circuito para verificar las capacidades de corto   Determ circuito de tableros y dispositivos de protección, además de su aplicación en la elaboración del estudio de coordinación de protecciones. Por lo que fue necesario tener el Diagrama Unifilar de las Subestaciones eléctricas con que cuenta la ESIME, saber a que tipo de carga alimenta cada una de ellas; así como las actualizaciones que se han hecho a la fecha para poder detectar puntos de falla en caso de que llegase a suceder algún algún problemas den dentro tro de las instalacion instalaciones es y ayudar a la gente de mantenimiento para poder solucionar el problema. El Estudio de Corto Circuito tiene un impacto directo sobre la Seguridad Eléctrica y la Producción continua en la planta. Una combinación de nivel de Corto Circuito elevado y una mala selección de las capacidades interruptivas de los equipos, puede desatar una explosión y conato de incendio en caso de que se llegase a presentar una perdida de aislamiento en el Sistema Eléctrico. Como alcance de la tesis tenemos que el diagrama unifilar, el diagrama de impedancias, estudio de corto corto circuito y la coordinaci coordinación ón de protecciones se realizará solo solo desde la subestación UPZ principal principal de 23 kV y su subestaciones bestaciones reductora reductorass de 6 kV que conforman al alimentador 52-F5 correspondiente a los edificios del 1 al 5 de la ESIME dándole continuidad en en el edificio 6 al 9 hasta llegar a su tablero de cargas cargas de cada edi edificio. ficio. Se enfocamos a un solo alimentador por que la mayoría de ellos son similares, la mayoría de estas instalaciones cuentan con cargas estáticas es decir de solo alumbrado, puesto que los laboratorios de practicas.pesados no tienen motores trabajando continuamente, es decir es solo para uso 6

 

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Este trabajo consta de 4 capítulos y esta estructurado de la siguiente forma: Comienza con una introducció introducciónn la cual explicara el problema con el que cuenta la Red Eléctrica así como la solución efectiva a este problema, también se dan los objetivos generales y los específicos, se justificara el trabajo y se le dará una limitación o alcance El Capitulo 1 hace hincapie en un punto de vital importancia la seguridad de las redes electricas, a fin de evitar daños en los equipos al sistema en su conjunto y en particular a las personas. Presenta el S Sistema istema de Pro Protección, tección, en do donde nde se exp explica lica como esta compue compuesto sto el sistema deaplicar protección, losuna tipos tipos de fallas eléctricas y que tipo de protección en cada de de lasprotecciones, diferentes fallas. El Capitulo 2  2  presenta una información amplia, concisa y entendible de lo que se refiere a la Coordinación de Protecciones; es decir se presentan conceptos, objetivos de la coordinación, condiciones de selectividad y consideraciones primarias, así como el procedimiento para una buena coordinación de protecciones y cálculos de corto circuito. El Capitulo 3  3  presenta el procedimiento aplicado a nuestro alcance, los resultados del ajuste y coordinación de las protecciones del alimentador 52-F5. Los cuales fueron respaldados a traves de un software a fin de tener una mejor coordinacion de las proteciones electricas. El Capitulo 4  4  presenta el estudio económico del proyecto, Comenzando con un estudio General, es decir la cotización del proyecto y la planeación en el cual se vera como esta conformada los recursos recursos para su realizaci realización ón (recursos humanos, materia materiales les y económicos), un desarrollo de los precios unitarios, posteriormente con los precios particular particulares. es. Finalmente se muestra las con conclusiones clusiones y algun algunas as recome recomendaciones ndaciones para trab trabajos ajos a futuro

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CAPÍTULO 1 El sistema de protección Toda red eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados, como de las personas que han de trabajar con ella. Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer a un unaa instalació instalaciónn de una re red d eléctrica compl completamente etamente segu segura ra ante cualquier contingencia, pero hay tres  tres   que deben usarse en todo tipo de instalación: de alumbrado, domesticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares, etc., ya sea de baja o alta tensión. Estas tres protecciones eléctricas, eléctricas, que se descri describirán birán con detalle son:   Protección contra sobrecarga sobrecargass . Protección contra cortocircuitos cortocircuitos.. •  Protección de falla a tierra. • 

•

La protección de las redes eléctrica eléctricass esta encaminada a evitar daños en los equipos al sistema en su conjunto y a las personas y se aplica según sea el tipo de falla bajo un esquema general como el siguiente. FALLA

RELEVADOR

INTERRUPTOR

Los sensores primarios generalmente detectan la falla en el nivel de tensión del sistema y normalmente son los llamados transformadores de instrumento que detectan señal de corriente, de tensión o una combinación de estas y se conocen como: a) Transformador de Corrie Corriente nte TC.- que semejan señales señales de corriente. b) Transformadores de Potencia TP.- semejan señal de tensión o potencial y se construyen en dos tipos. 1.- Transformado Transformadorr de potenc potencial ial Inductiv Inductivos os 2.- Transformado Transformadorr de potenc potencial ial Capacitiv Capacitivos os La función principal de ambos transformadores de instrumento es aislar eléctricamente los instrumentos de medición y la protección que operan en baja tensión (120 ó 127V) de las redes eléctricas de donde se toman las señales, que operan en alta tensión (23 kV, 34.5 kV). 1.1 Tablero Tablero de pro tecci ón En un tablero eléctrico se concentran los dispositivos de protección y de maniobra de los circuitos eléctricos de la instalación. En el caso de instalaciones residenciales este tablero generalmente consiste en una caja en cuyo interior se montan los interruptores automáticos respectivo r espectivos. s.  Para lograr una instalación eléctrica segura, se debe contar con dispositivos de protección que actúen en el momento en el que se produce una falla (cortocircuito, sobrecarga o falla de aislamiento) en"accidentes algún puntoeléctricos", del circuito. De esta forma se evita tanto para lasy personas de sufrir como el sobrecalentamiento de el losriesgo conductores equipos eléctricos, previniendo así daño en el material y posibles causas de incendio. 8

 

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El sistema de protección de los equipos y/o instalaciones del sistema eléctrico tiene como objetivos:   Detectar las fallas para aislar lo loss equipos o instal instalaciones aciones fal falladas ladas tan pronto co como mo sea posible Detectar y aalertar lertar sobre las condic condiciones iones ind indeseadas eseadas de los equipo equiposs para dar las •  alertas necesarias; y de ser el caso, aislar al equipo del sistema Detectar y alertar sobre las condiciones anormales de operación del sistema; y de •  ser el caso, aislar a los equipos que puedan resultar perjudicados por tales situaciones •

El sistema de protección debe ser concebido para atender una contingencia doble; es decir, se debe considerar la posibilidad que se produzca un evento de falla en el sistema eléctrico, al cual le sigue una falla del sistema de protección, entendido como el conjunto ReleInterruptor. Por tal motivo, se debe establecer las siguientes instancias: instancias: 1. Las proteccion protecciones es principal principales es (primaria y se secundaria) cundaria) que co constituyen nstituyen la pprimera rimera línea de defensa en una zona de protección y deben tener una actuación lo más rápida posible (instantánea). 2. Las protecciones de respaldo que constitu constituyen yen la segunda instancia de actuación de la protección y deberán tener un retraso en el tiempo, de manera de permitir la actuación de la protección principal en primera instancia. Estas protecciones son las siguientes: •

  interruptor La protección falla interrumpir de interrupt interruptor or detecta no yhapor operado el quededebe la que corriente deque falla; tanto, correctamente procede con la apertura de los interruptores vecinos para aislar la falla.   La protección de respaldo, la cual detecta la falla y actúa en segunda instancia cuando no ha actuado la protección principal. Para ser un verdadero respaldo, este relé debe ser físicamente diferente de la protección principal. principal.

•

1.2 Tipos de fallas e eléctr léctr icas: Las fallas, según su naturaleza y gravedad se clasifican en: 1.2.1 Sobrecarga: Se produce cuando la magnitud de la tensión ("voltaje") o corriente supera el valor preestablecido como normal (valor nominal). Comúnmente estas sobrecargas se originan por exceso de consumos la instalación Las sobrecargas producen calentamiento excesivo en los en conductores, lo queeléctrica. puede significar las destrucción de su aislamiento, incluso llegando a provocar incendios por inflamación. 1.2.2 Cortocircuito: Se originan por la unión fortuita de dos líneas eléctricas sin aislamiento, entre las que existe una diferencia de potencial eléctrico (fase-neutro, fase-fase). Durante un cortocircuito el valor de la intensidad de corriente se eleva de tal manera, que los conductores eléctricos pueden llegar a fundirse en los puntos de falla, generando excesivo calor, chispas e incluso flamas, con el respectivo riesgo de incendio. 1.2.3 1.2 .3 Falla de aislamient aislamiento: o:   Estas se originan por el envejecimiento del aislamiento de algún conductor, uniones mal aisladas, etc. Estas fallas no siempre originan cortocircuitos, sino en muchas ocasiones se traducen que superficies metálicas de peligro aparatos queden energizadas tensiones peligrosas), con el consiguiente de eléctricos shock eléctrico para los usuarios(con de aquellos artefactos. 9

 

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1.3 1.3 Ele Elementos mentos de protecció n: Existen varios tipos de protecciones diferentes, por lo que a continuación se explican los dispositivos más importantes utilizados para lograr continuidad en el servicio eléctrico y seguridad para las personas 1.3.1 1.3 .1 Los relevador relevadores es La función del relevador es la de detectar una condición anormal de operación y actuar sobremás el elemento de desconexión de desconexión, , quedeesprotección el interruptor, los relevadores con constituyen stituyen el elemento importante de un esquema y responden a distintos tipos de señales, pero en cualquier caso, dentro de un esquema de protección deben satisf satisfacer acer las siguientes condiciones básicas: a) Rapidez de operación.- un relevador debe de actuar tan rápido como sea posible ante una condición de falla, esto con el fin de evitar daños al sistema en su conjunto a cualquiera de sus componentes (transformadores, secuenciadores, motores, etc) los tiempos de operación de los relevadores se expresan por lo general en ciclos referidos a la frecuencia de operación del sistema y normalmente deben actuar entre 1 y 3 ciclos que a una frecuencia de 60 Hz por ejemplo para 3 ciclos representa:

3 ciclos/( 60 ciclos /segundo ) = ½ segundos Para controlar la rapidez de la operación de los relevadores de acuerdo a la condición de protección de un sistema, se establece el llamado criterio de coordinación de protecciones que da la selectividad apropiada, es decir el orden y tiempo de operación de las protecciones. b) Sensibilidad. Sensibilidad.-- una protección debe responder a una condición de falla dentro del rango de tiempo del del ajuste del rele relevador. vador. Si lo hace an antes tes o después de este rango, su operación es incorrecta y le dice que es una operación indeseable, a esta condición de la operación dentro de su rango se le conoce como sensibilidad. c) Seguridad.- por seguridad se entiende a la incertidum incertidumbre bre de que un relevador no va a fallar en su operación cuando sea requerido, es decir que bajo cualquiera condición dentro de su especificación actúe. d) Confiabilidad Confiabilidad..- la confiabilidad confiabilidad es un concepto probabilí probabilístico stico por que se refiere a que un relevador en prueba de laboratorio, dentro de su rango de operación actúe con un porcentaje mínimo de falla. Debido a que la importancia de un sistema o red eléctrica se requiere de un alto rango de confiabilidad en su conjunto, es necesario que se elimine prácticamente el 100% de su incertidumbre incertidum bre en la operación de la protección. 1.3.1. 1.3 .1.1 1 Tipos d e releva relevador dores es Los relevadores para su estudio y aplicación se pueden clasificar por su función y por la tecnología tecnología de con construcción. strucción. Se cla clasifican sifican eenn atenc atención ión a la respuesta que tien tienen en de acuerdo al tipo de señal que reciben y se pueden agrupar como sigue: a)

Por su función:   Relevadores Relevadores de sobrecorriente sobrecorriente..son los que responden a una señal de sobrecorriente que excede a su valor previamente especificado y que se conoce como “corriente de operación”.

•

  Relevadores de tensión.- actúan con una señal de sobretensión o baja tensión de la

•

frecuencia del sistema (50 Hz ò 60 Hz). 10

 

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  Relevador de cociente o producto.- estos generalmente reciben 2 señales y los integran según sea el tipo de falla que se desea detectar, por ejemplo las señales de tensión y corriente.

•

 

De cociente : V / I = Z Relevador de impedancia. I / V = Y Relevador de admitancia. V / Fr = tensión / frecue frecuencia ncia = Volts / Hertz

 

De producto: V X I = Watts tensión X corrie corriente nte = Watts.

  Relevadore Relevadoress de diferen diferencia.cia.- a estos se les co conoce noce como diferenciale diferencialess y se pueden comparar para obtener diferencias entre cantidades de la misma unidad por ejemplo:

•

 

Si comparan corriente son diferenci diferenciales ales de corriente. diferenciales ferenciales ddee tensio tensiones. nes.   Si comparan tensiones son di

  Relevador de temperat temperatura.ura.- son aquellos que a través de sensores primarios que están en contacto con el elemento a proteger, detectan elevaciones de temperatura.

•

  Relevador de sobre presión.- Estos se usan normalmente en los transformadores y sirven para detectar señales de sobrepresión en partes que son resultantes de

•

alguna condición de falla interna. b) Por su tecnología tecnología:: •  Electromecánico De estado solido •  •  Digitales. Funcionalmente cualquiera de las tecnologías antes mencionadas satisface los requerimientos de la protección, pero desde el punto de vista de la operación los relevadores de tipo digital a base de microprocesadores son mas precisos, muy fáciles de adjuntar un arreglo de protecciones completo se encuentra alojado en el CPU de una computadora. Un relevador es un elemento que cumple con una función específica en forma independiente independi ente de su tecnología. 1.4

Interruptores

Los elementos cierran un esquema de con protección parade loslos fines de la interrupción de corriente de falla que y que actúan de acuerdo una señal relevadores son los interruptores. Por lo general se clasifican de acuerdo con el medio de extinción del arco eléctrico que se presenta durante la desconexión de la falla. Todos los interruptores, cualquiera que sea su tipo reciben la señal del relevador a través de un circuito de control, que está alimentada por un circuito de corriente directa CD a 120 V ó 250 V como se muestra en la figura 1.1: R

INTERRUPTOR

CIRCUITO DE CONTROL

Fig. 1.1.- Forma de recepción de la señal a un interruptor por medio de un relevador 11

 

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Los interruptores pueden ser:   •  •  •  •  •  •

En gran volumen de aceite En pequeño volumen de aceite Neumáticos (con chorro de aire) En Hexafloruro de Azufre (SF6) En vacio En aire y soplo magnético

1.4.1 1.4 .1 Interru pto res en pequeño y gran vol volumen umen de aceite. Los interruptores en gran volumen de aceite y pequeño volumen de aceite tienen poco uso en la actualidad aún cuando existen algunos instalados en los sistemas eléctricos. Su forma de interrumpir es cuando al abrir el interruptor se crea un arco eléctrico entre el contacto fijo y el contacto móvil, móvil, es ahí entre dichos contactos que envía un chorro de aceite que sirve para interrumpir el arco eléctrico quedando libre de corriente la parte desconectada. 1.4.2 1.4 .2 Interru pt ptor or neumáti neumático co y en He Hexafl xafloru oruro ro de Azufre. Los interruptores neumáticos tienen ventajas de operación y capacidad de extinción sobre los interruptores de aceite de manera que los reemplazo durante un tiempo, pero tienen desventaja del alto costo de mantenimiento del equipo de productor de aire comprimido y también de las posibles fugas que conducen a operación incorrecta. Los interruptores en sistemas Hexafloruro de tensión Azufre ya (SF6) la tecnología la que actualmente se usa en los de alta que es permiten una alta en capacidad interruptiva y una rapidez de operación que disminuye el riesgo de transitorios de sobretensión.. Por razones de costo estos interrup sobretensión interruptores tores se usan principalme principalmente nte en sistemas de 115 kV y tensiones mayores. 1.4.3 1.4 .3 Interru pto res en vacío En los tipos de interruptores anteriores, el arco eléctrico se extingue por la circulación de un chorro de aceite entre los contactos fijos y móvil (en el caso de los de aceite), por la inyección de un chorro de aire a alta presión (en el caso de los neumáticos) o por llaa circulación del gran SF6 para los interruptores en Hexafloruro de Azufre. Los interruptores en vacio no usan ningún principio de tecnología de circulación de un medio dieléctrico a través de los contactos, en estos interruptores, cuando se recibe la señal de operación se crea el vacío entre contacto contactoss y con esto se elimina la trayectoria del arco eléctrico. 1.4. 1.4.4 4 Interruptor termomagnético ((de de aire con soplo ma magnético) gnético) Estos interruptores cuentan con un sistema magnético de respuesta rápida ante sobrecorrientes sobrecorrien tes abruptas (cortocircuitos), y una protección térmica basada en un bimetal que desconecta ante sobrecorrientes de ocurrencia más lenta (sobrecargas). Se emplean para proteger cada circuito de la instalación, siendo su principal función resguardar a los conductores eléctricos ante sobrecorrientes que pueden producir peligrosas elevaciones de temperatura. También se les conoce como electromagnético y en sí tienen una doble función; desconectar con sobrecargas en la parte térmica y con corrientes de corto circuito en donde el arco se presenta en aire pero se genera un campo magnético que desvía el arco para para debilitar y acelera acelera la extinción de la corriente. Estos interru interruptores ptores tienen muchas variantes y se usan principalmente en aplicaciones industriales.   1.4. 1.4.5 5 Interruptor o protector diferencial diferencial   El interruptor diferencial es un elemento destinado a la protección de las personas contra los contactos indirectos. Se instala en el tablero eléctrico después del interruptor automático del circuito que se desea proteger, generalmente circuitos de enchufes, o bien, 12

 

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se le puede instalar después del interruptor automático general de la instalación si es que se desea instalar solo un protector diferencial, si es así se debe verificar que la capacidad nominal (Amperes) del disyuntor general sea inferior o igual a la capacidad nominal (Amperes) del protector diferencial diferencial.. El interruptor diferencial censa la corriente que circula por la fase y el neutro, que en condiciones normales debe ser igual. Si ocurre una falla de aislamiento en algún artefacto eléctrico, es decir, el conductor de fase queda en contacto con alguna parte metálica (conductora), y se origina una descarga entonces la corriente que circulará por el neutro será menor a la que circula pora tierra, la fase. Ante este desequilibrio el interruptor diferencial opera, desconectand desconectandoo el circuito. Estas protecciones se caracterizan por su sensibilidad (corriente de operación), es decir el nivel de corriente de fuga a partir del cual comienzan a operar, comúnmente este valor es de 30 miliamperes (0,003 A). Es muy importante recalcar que estas protecciones deben ser complementadas con un sistemas de puesta a tierra, pues de no ser así, el interruptor diferencial solo percibirá la fuga de corriente en el momento en que el usuario toque la carcaza energizada de algún artefacto, con lo que no se asegura que la persona no reciba una descarga eléctrica. El interruptor diferencial es un aparato cuya misión es desconectar una red de distribución eléctrica, cuando alguna de sus fases se pone a tierra, bien sea directamente o a través de humedades generalmente. El interruptor diferencial se activa al detectar una corriente de defecto Id, que sea superior a su umbral de sensibilidad  sensibilidad  Is. El interruptor diferencial, según se ve en la figura 1.2, consta de un transformador, cuyo primario esta formado por todas las fases de la red, incluido el neutro, que atraviesan un núcleo toroidal (T), y el arrollamiento secundario está formado por una pequeña bobina (S), el arrollamiento secundario (S)  (S) se conecta luego a un relé que actúa sobre el mecanismo de desconexión del interruptor (B). Todo ello se halla contenido en una caja aislante, con bornes de entrada y salida de red, y pueden ser: Monopolares, Bipolares, Tripolares y Tetrapolares, estos últimos para redes trifásicas con neutro distribuido Secundario Del Transformador

Interruptor diferencial Interruptor diferencial Puesta a tierra Fig. 1.2 Funcionamiento y conexión del interruptor diferencial

En la figura 1.3, se ve el funcionamien funcionamiento, to, con un ejemplo monofásico, muy ffácil ácil de entender. Así a la vista dibujo, en el tenemos: cual la primera figura representa la red en buen estado y la segunda con ladel fase S a tierra, 13

 

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  Red en buen estado: Is + It = Id = 0 A A   Red con fase a tierra: Is + It = Id = 0,7 A •  A  

•

Fig. 1.3 Ejemplo de funcionamiento del interruptor diferencial

Donde Is es la corriente de la fase S It es la corriente de la fase T o a tierra. Id es la corriente resultante de defecto. En general, las protecciones son diseñadas para operar en dos formas distintas: como Protecciones Unitarias para detectar fallas en una zona de protección o como Protecciones Graduadas para detectar fallas en más de una zona de protección. Las Protecciones Unitarias se caracterizan por lo siguiente: Son totalmente selectivas porque sólo detectan fallas en su zona de •  protección. No pueden desempeñar funciones de protección de respaldo porque no son •  sensibles a fallas fuera de su zona de protección. Operan bajo el principio diferencial calculando la diferencia entre las •  corrientes que entran y salen de la zona protegida, ya que esta diferencia indica que hay una corriente que fluye por una falla dentro de esta zona. Las Protecciones Graduadas se caracterizan por lo siguiente: 1. Son relativamente selectivas porque detectan fallas en más de una zona de protección. funciones de protección de respaldo porque son sensibles a fallas en 2. Desempeñan las zonas vecinas a su zona de protección. 3. Operan midiendo las corrientes, tensiones, impedancias, etc., cuya graduación establecer la graduación de su tiempo de actuación.  1.5 1.5

Protecciones contr contra a sobrecorri ente ente  

Se denomina cortocircuito a la unión de dos conductores o partes de un circuito eléctrico, con una diferencia de potencial o tensión entre si, sin ninguna impedancia eléctrica entre ellos. Este efecto, según la Le Leyy de Ohm, al ser la imp impedancia edancia cero cero,, hace que la intensidad tienda a infinito, con lo cual peligra la integridad de conductores y máquinas debido al calor generado por dicha intensidad, debido al efecto Joule. En la práctica, la intensidad producida por un cortocircuito, siempre queda amortiguada por la resistencia de los propios conductores que, aunque muy pequeña, nunca es cero. I=V/Z

(si Z es cero, I = infinito)

ec. (1)  14

 

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Según los reglamentos electrotécnicos, "en el origen de todo circuito deberá colocarse un dispositivo de protección, de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en la instalación". No obstante se admite una protección general contra cortocircuitos para varios circuitos derivados. Los dispositivos mas empleados para la protección contra cortocircuitos son: •  Fusibles calibrados (también llamados cortacircuitos), o Interruptores automáticos magnetotérmicos magnetotérmicos •  1.5.1  Fusible 1.5.1 Fusibless o cortacircuitos cortacircuitos   Los fusibles o cortacircuitos, según se ve en la figura 1.4, no son más que una sección de hilo más fino que los conductores normales, colocado en la entrada del circuito a proteger, para que al aumentar la corriente, debido a un cortocircuito, sea la parte que mas se caliente, y por tanto la primera en fundirs fundirse. e. Una vez interrum interrumpida pida la ccorrient orriente, e, el resto del circuito ya no sufre daño alguno.

I

Fig. 1.4 Fundamento del corto circuito o fusible

Antiguamente los fusibles eran finos hilos de cobre o plomo, colocados al aire, lo cual tenía el inconveniente de que al fundirse saltaban pequeñas partículas incandescentes, dando lugar a otras averías en el circuito. Actualmente la parte o elemento fusible suele ser un fino hilo de cobre o aleación de plata, o bien una lámina del mismo metal para fusibles de gran intensidad, colocados dentro de unos cartuchos cerámicos llenos de arena de cuarzo, con lo cual se evita la dispersión del material fundido; por tal motivo también se denominan cartuchos fusibles. Los cartuchos fusibles estado. son protecciones desechables, cuando uno se funde se sustituye por otro en buen Los cartuchos fusibles también pueden mejorarse aplicándole técnicas de enfriamiento o rapidez de fusión, para la mejor protección de los diferentes tipos de circuitos que puede haber en una instalación, por lo cual y dentro de una misma intensidad, atendiendo a la rapidez de fusión, los cartuchos fusibles se clasifican según la tabla t abla 1.1. TABLA 1.1.- TIPOS DE CARTUCHOS TIPO FUSIBLES RÁPIDOS

SEGÚN NORMA UNE gF

OTRAS DENOMINACIONES gl, gI, F, FN, Instanfus

FUSIBLES LENTOS

gT

T, FT, Tardofus

FUSIBLES DE ACOMPAÑAMIENTO

aM

A, FA, Contanfus

15

 

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Fusibles Si llamamos If   a la intensidad a la cual ha de fundir un fusible, los tres tipos antes mencionados, se diferencian en la intensidad que ha de atravesarlos para que fundan en un segundo. Los fusibles lentos funden en un segundo para I = 5 If Los fusibles rápidos funden en un segundo para I = 2,5 If Los de acompañamiento funden en un segundo para I = 8 If Los fusibles de acompañamiento (aM) se fabrican especialmente para la protección de motores, debido a que soportan soportan sin fundirse las puntas de in intensidad tensidad que es estos tos absorben en el arranque. Su nombre proviene de que han de ir acompañados de otros elementos de protección, como son generalmente los relés térmicos. Cada cartucho fusible tiene en realidad unas curvas de fusión, f usión, que pueden diferir algo de las definiciones definicion es anteriores, dada dadass por los fabricantes. En llaa figura 1.5, se muestran algunos tipos de cartuchos fusibles, así como curvas de fusión orientativas, de los tres tipos existentes.

Fi ura 1.5 Ti os de cartuch cartuchos os curvas curvas ori orienta entativ tivas as de fusión fusión

Los fusibles lentos (gT) son los menos utilizados, empleándose paramomentáneos la protección de redes aéreas de distribución generalmente, debido a los cortocircuitos que los árboles o el viento pueden hacer entre los conductores. Los fusibles rápidos (gF) se emplean para la protección de redes de distribución con cables aislados y para los circuitos de alumbrado generalmente. Los fusibles de acompañamiento (aM), como ya se ha dicho, son un tipo especial de cortacircuitos, diseñado para la protección de motores eléctricos. 2.5.2 Interruptores automáticos ó magnetotérmicos  magnetotérmicos   Estos dispositivos, conocidos abreviadamente por PIA (Pequeño Interruptor Automático), se emplean para la protección de los circuitos eléctricos, contra cortocircuitos y sobrecargas, en sustitución de los fusibles, ya que tienen la ventaja de que no hay que reponerlos; cuando cuando se desconectan debi debido do a una sobrecarga o un cortocircui cortocircuito, to, se rearman de nuevo y siguen funcionando.

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Según el número de polos, se clasifican éstos en: unipolares, bipolares, tripolares y tetrapolares, estos últimos se utilizan para redes trifásicas con neutro. En la figura f igura 1.5, se ve la parte correspondiente a una fase de uno de estos interruptores, dibujado en sección, para que se vean mejor sus principales órganos internos. Estos aparatos constan de un disparador o desconectador magnético, formado por una bobina, que actúa sobre sobre un contacto móvil, cuando la intensidad intensidad que la atraviesa rebasa su valor nominal (In (In). ). Éste es el elemento que protege la instalación contra cortocircuitos, por ser muy rápido y cada vez que este motivo rearmarse (cerrarsudefuncionamiento, nuevo el contacto superior), bien desconecta sea manual opor eléctricamente. eléctricamen te.debe de También poseen un desconectador térmico, formado por una lámina bimetálica, que se dobla al ser calentada por un exceso de intensidad, y aunque mas lentamente que el dispositivo anterior, desconecta el contacto inferior del dibujo. Esta es la protección contra sobrecargas y su velocidad de desconexión es inversamente proporcional a la sobrecarga. Cuando la desconexión es por efecto de una sobrecarga, debe de esperarse a que enfríe la bilámina y cierre su contacto, para que la corriente pase de nuevo a los circuitos protegidos. Los interruptores automáticos magnetotérmicos, magnetotérmicos, se emplean mucho domésticamen domésticamente te y para instalaciones de Baja Tensión en general y suelen fabricarse para intensidades entre 5 y 125 amperios, de forma modular y calibración fija, sin posibilidad de regulación. Para intensidades mayores, en instalaciones industriales, de hasta 1.000 A o mas, suelen estar provistos de una regulación externa, al menos para el elemento magnético, de protección contra cortocircuitos como se muestra en la figura 1.6 Borne de conexión entrada Rearme 

Contacto fijo

Contacto móvil Bobina de desconexión magnético.

Tiempo (s)

Bimetal desconexión térmica. Borne de conexión entrada Símbolos

Curva de fusión, tipo C

Fig. 1.6. Interruptor magnético (PIA)

1.5.3 Características de desconexión: Existen varios tipos de estos interruptores automáticos magnetotérmicos o PIA, definidos por sus características de desconexión tiempo-intensidad, en cuanto a la desconexión contra cortocircuitos se refiere (desconexión magnética), para una mejor protección de los distintos tipos de circuitos a proteger. Los tipos que hay actualmente en el mercado son muchos, atendiendo diversas yen variadas normas los (EN,más UNE, CEI, etc.), lo cual los vamos a clasificar en dos acolumnas, una ponemos antiguos, peropor aun muy utilizados, y en la otra los mas 17

 

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actuales, normalizados en la norma europea, y siendo In su In  su intensidad nominal y para que desconecten en un tiempo máximo de 0,1 segundos son los referidos en la tabla 1.2 . TABLA 1.2.- TIPOS TIPOS Y CARACTERISTICAS DE LOS PIAs MAS ANTIGUOS

NORMALIZADOS EN 60.898 Y 60.947

L

ENTRE 2,4 Y 3,5 ln

U

ENTRE 3,5 Y 8,0 ln

G

ENTRE 7,0 Y 10 ln

B

ENTRE 3 Y 5 ln

C

ENTRE 5 Y 10 ln

D

ENTRE 10 Y 20 ln

MA

FIJO A 12 ln

Z

ENTRE 2,4 Y 3,6 ln

ICP-M •

LIMITES DE DESCONEXION

ENTRE 5 Y 8 ln

  Los tipos L y B se emplean para la protección de redes grandes de cables y

generadores. Los tipos U y C se emplean para la protección de receptores en general y líneas •  El tipo G se emplea para la protección de los motores y transformadores en general.   cortas. •  El tipo D se emplea para la protección de cables y receptores con puntas de carga •

muy elevadas. El tipo MA es un diseño especial para la protección de motores. •  •  El tipo Z es un diseño especial para la protección de circuitos electrónicos. El tipo ICP-M (Interruptor de Control de Potencia con reenganche Manual), es un •  diseño especial, para el control de potencia por las compañías distribuidoras. Aunque su función principal es de tarifación eléctrica, también se puede emplear como interruptor magnetotérmico de protección general. Otra característica a tener en cuenta, cuando hemos de seleccionar un interruptor magnetotérmico, es su poder de corte en carga, que puede ser distinto dentro de un mismo tipo de curva de desconexión. Los valores de fabricación más normales de la intensidad máxima que pueden cortar, ante un cortocircuito, son: 1,5; 3; 4,5; 6; 10; 15; 20; y 25 kA .  1.5. 1.5.4 4 Protección contra sobrecargas Se entiende por sobrecarga al exceso de intensidad en un circuito, debido a un defecto de aislamiento o bien, a una avería o demanda excesiva de carga de la máquina conectada a un motor eléctrico.  Las sobrecargas deben de protegers protegerse, e, ya que pueden dar lugar a la destrucción total de los aislamientos, de una red o de un motor conectado a ella. Una sobrecarga no protegida degenera siempre en un cortocircuito. Según los reglamentos electrotécnicos "Si el conductor neutro tiene la misma sección que las fases, la protección contra sobrecargas se hará con un dispositivo que proteja solamente las fases, por el contrario si la sección del conductor neutro es inferior a la de las fases, el dispositivo de protección habrá de controlar también la corriente del neutro". Además debe de colocarse una protección para cada circuito derivado de otro principal. Los dispositivos mas empleados para la protección contra sobrecargas son:   Fusibles calibrados, calibrados, tipo gT o gF ((nunca nunca aM) •  Interruptores automáticos magnetotérmicos (PIA) Relés térmicos •  •

18

 

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Para los circuitos domésticos, de alumbrado y para pequeños motores, se suelen emplear los dos primeros, al igual que para los cortocircuit cortocircuitos, os, siempre y cuando se utilice el tipo y la calibración apropiada al circuito a proteger. Por el contrario para los motores trifásicos se suelen emplear los llamados relés térmicos, cuya construcci construcción, ón, funcionamient funcionamientoo y utilización se verán en el capitulo siguiente. 1.6 1.6 Pe Peligr ligros os de la corri ente eléctrica eléctrica   Bajo los efectos de una corriente eléctrica, puede sobrevenir la muerte de una persona, por las causas siguientes: Paralización del corazón •  •  Atrofia de los músculos del tórax (asfixia) Carbonización de los tejidos •  •  Electrólisis de la sangre (solamente en c.c.), etc Aunque los cuerpos humanos reaccionan de diferente manera unos de otros y dependiendo de las condiciones del momento, podemos decir que  que  la corriente eléctrica empieza a ser peligrosa, cuando atraviesan el cuerpo humano más de 25 mA, durante más de 0,2 segundos. Se ha comprobado que la resistencia del cuerpo humano, con piel sana y seca, depende de la tensión que se le aplique, pudiendo variar entre 2.500 y 100.000 Ohms. Esta resistencia también disminuye debido a la humedad, la transpiración, las heridas superficiales, al aumentar la masa muscular de las personas, si el contacto es inesperado, etc. También y por causas aun desconocidas se sabe que en las altas frecuencias la corriente eléctrica deja de ser peligrosa para el cuerpo humano (a partir de unos 7.000 Hz aproximadamente), y por tal motivo se emplea mucho en electromedicina. Debido a todo lo anteriormente expuesto, cuando se hacen cálculos sobre la seguridad contra electrocución, y con el fin de trabajar con un buen margen de seguridad, se considera que la resistencia del cuerpo humano es de 1.000 Ohms. Por eso los reglamentos electrotécnicos fijan como  como   tensiones peligrosas, exigiendo la instalación de protecciones contra electrocución, las siguientes:   50 V, con relación a tierra, en locales secos y no conductores. 24 V, con relación a tierra, en locales húmedos o mojados. •  15 V, en instalaciones para piscinas •  •

1.6.1  Sistemas de protección de puesta a tierra  1.6.1 tierra  Frente a los peligros de la corriente eléctrica, la seguridad de las personas, ha de estar fundamentada en quepara nunca estarcontra sometidas involuntariamente una tensión peligrosa. Por tal motivo, la puedan protección electrocución deben dea ponerse los medios necesarios para que esto nunca ocurra. La reglamentación actual clasifica las protecciones contra contactos indirectos, que pueden dar lugar a electrocución en dos clases: Clase A: Esta A:  Esta clase consiste en tomar medidas que eviten el riesgo en todo momento, de tocar partes en tensión, o susceptibles de estarlo, y las medidas a tomar son: •  Separación de circuitos Empleo de pequeñas tensiones de seguridad (50, 24 o 15 V) •  •  Separación entre partes con tensión y masas metálicas, por medio de aislamientos Inaccesibilidad simultanea entre conductores y masas •  •  Recubrimiento de las masas con elementos aislantes •  Conexiones equipotenciales Clase B: Este B:  Este sistema que es el más empleado, tanto en instalaciones domésticas como industriales, consiste en la puesta a tierra de las masas, asociada a un dispositivo de corte automático (relé o controlador de aislamiento), que desconecte la instalación defectuosa. 19

 

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Por ello se emplean princi principalmente palmente dos tipos de protecciones diferentes, a saber:   •  •  •  •

Puesta a tierra de las masas Relés de control de aislamiento, que a su vez pueden ser: Interruptores diferenciales, diferenciales, para redes con neutro a tierra. Relés de aislamiento, aislamiento, para redes con neutro aislado

1.6.2 1.6 .2 Puesta a tierr a de las masas metálic metálicas as de la ins instalació talació n.  n.  Se denomina a tierra la unión eléctrica, entre todas una instalación y unpuesta electrodo, que asuele ser generalmente una placalaso masas una picametálicas de cobrede o hierro galvanizado (o un conjunto de ellos), enterrados en el suelo, con el fin de conseguir una perfecta unión eléctrica entre masas y tierra, con la menor resistencia eléctrica posible, como se ve en la figura 1.7. Con esto se consigue que en el conjunto de la instalación no puedan existir tensiones peligrosas entre masas y tierra.

Figura 1.7 Conexiones de puesta a tierra de las masas

Con la puesta a tierra se trata que las corrientes de defecto a tierra (Id ( Id), ), tengan un camino más fácil, que el que tendría el cuerpo de una persona que tocara la carcasa metálica bajo tensión. Por tanto como la red de tierras ha de tener una resistencia mucho menor que la del cuerpo humano, la corriente de defecto circulará por la red de tierra, en vez de hacerlo por el cuerpo de la persona, tal como se aprecia en la figura 1.8.

Sin puesta tierra PELIGRO

con puesta a tierra PROTECCION

Figura 1.8 Principios de la protección con puesta a tierra 20

 

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En las instalaciones industriales deben de realizarse tomas de tierra independiente para: las masas metálicas de los aparatos eléctricos, para la conexión de los neutros de los transformadores de potencia y para la conexión de los descargadores o pararrayos. En las instalaciones domésticas y de edificios en general se conectarán a la toma de tierra: Las instalaciones de pararrayos •  •  Las instalaciones de antenas, tanto de TV como de FM Los enchufes eléctricos y las masas metálicas de aseos, baños y cocinas •  •   Las instalaciones ejecutadas con tubos metálicos de: fontanería, calefacción y gas, así como calderas, depósitos, instalaciones de ascensores y montacargas, y en general todo elemento metálico que pueda entrar en contacto con un cable bajo tensión •  Las estructuras metálicas y las armaduras de columnas y muros de hormigón. 1.6.3 1.6 .3 Tipo de toma de tierr a Dependerá generalmente, de la resistencia del terreno y de las dificultades de instalación de uno u otro tipo, para conseguir una baja resistencia de contacto a tierra. El tipo más empleado tanto doméstica como industrialmente es el que se hace con picas hincadas verticalmente en el terreno, de 1,5 o 2 metros de longitud generalmente. Existen muchas tablas y fórmulas para calcular las tomas de tierra, según sea el tipo de terreno o el tipo de electrodo empleado, empleado, pero son métodos laboriosos y poco exactos, por lo cual lo que se suele hacer en la práctica es medir la resistencia de la toma de tierra una vez realizada, y si aun es grande se coloca una pica o varias mas y se mide de nuevo. Esta es mejor colocarlas separadas unas de otras, al menos 2 metros, para conseguir menor resistencia de contacto.

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CAPITULO 2 Coordinación de protecciones. En el capitulo anterior, se enfocó een n dar a conocer las pro protecciones tecciones en gene general, ral, sus funciones y formas de operación, operación, pues puesto to que es lo interesan interesante te de este proyecto y el punto de partida para poder realizarse es por eso que ya al contar con esta información en este capitulo se enfoca a la coordinación de las protecciones de una red eléctrica, se ve cuales son las consideraciones consideraciones para realizar la coordin coordinación. ación. En el diseño de sistemas industriale industrialess de los alimentación dispositivos. dispositivos. frecuentemente se pasan por alto la selección y coordinación apropiada de La coordinación adecuada de los dispositivos protector protectores es evita daños al equipo, costosos tiempos muertos y daños personales, las fallas en los sistemas de distribución de energía eléctrica pueden causar pérdidas de potencia en máquinas, computadoras, laboratorios y muchos otros servicios, dando como resultado pérdidas de tiempo de producción. El estudio de coordinación de protecciones para una red eléctrica es empleado para:   • 

asegurar la operación durante condiciones normales de operación. asegurar que el sistema se mantenga en equilibrio durante las sobre corrientes normales de operación, como son; corrientes de magnetización en transformadoress y corrientes de arranque en motores. transformadore asegurar la operación selectiva de los dispositivos de protección. • 

•

  asegurar únicamente salga de operación la parte del sistema en la ccual ual ocurra una falla yque dejar el resto del sistema en operación. operación .

•

Con lo anterior se asegura que la red de distribución tendrá la máxima continuidad de servicio eléctrico. La planificación, el diseño y la operación de las redes eléctricas, requiere de estudios para evaluar su comportamiento, confiabilidad y seguridad. Estudios típicos que se realizan son: flujos de potencia, estabilidad, coordinación de protecciones, cálculo de cortocircuito, etc. Un buen diseño debe estar basado en un cuidadoso estudio en que se incluye la selección de tensión, adecuado tamaño del equipamiento y selección apropiada de protecciones. La mayoría de los estudios necesita de un complejo y detallado modelo que represente al sistema de potencia, generalmente establecido en la etapa de proyecto. Los estudios de cortocircuito son típicos ejemplos de éstos, siendo esencial para la selección de equipos, y el ajuste de sus respectivas protecciones. La duración del cortocircuito es el tiempo en segundos o ciclos durante el cual, la corriente de cortocircuito circula por el sistema. El fuerte incremento de calor generado por tal magnitud de corriente, puede destruir o envejecer los aislantes del sistema eléctrico, por lo tanto, es de vital importancia reducir este tiempo al mínimo mediante el uso de las protecciones adecuadas adecuadas.. 2.1 2.1 Objetivo de la Coordinación de protecciones. Se entiende que coordinación de protecciones corresponde al hecho de establecer selectividad temporal entre las protecciones de sobrecorriente que “ven” una misma falla. Dicho de modo gráfico, gráfico, es consegui conseguirr que una fall fallaa sea despejad despejadaa por la protec protección ción de sobrecorriente que está más próxima a ella en el sentido del flujo de la corriente y si es necesario aislar completamente al equipo de dicha falla. Para ilustrar a esta definición se recurriráá a un ejemplo de una red eléctrica, la cual está representada en la figura 2.1 en recurrir forma de un diagrama unifilar. 22

 

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IV VIII A c o

I

II

m e t i d a

VII

III

VI 1 V 2

3

Figura 2.1 ejemplo de una red eléctrica minera

La red representada en la figura es un ejemplo sencillo de un transformador AT/BT del que dependen dos circuitos derivados, uno múltiple de tres servicios de motor y otro simple con un solo. Aún con la simpleza del circuito circuito,, se puede ver que involucra 12 proteccio protecciones nes de sobrecorriente, 4 de corto circuito y sobrecarga combinados, 4 de corto circuito y 4 de sobrecarga. La coordinación de protecciones debe hacerse observando el flujo desde la acometida hasta los receptores. En este caso del siguiente modo: Camino I, II, V y 1 Camino I, II, III, VI y 2 Camino I, II, III, VII y 3 Camino I, II, IV, VIII y 4 Se ve que las protecciones I y II son comunes a toda la red porque corresponden a la protección primaria primaria y secundaria del transfor transformador. mador. La III debe coordinarse con ell ellas as y a su vez, con todas las del cofre múltiple de tres servicios. La IV con I y II, y a su vez, con las del cofre simple. 2.1.2 Condiciones mínimas para la selectividad Desde ahora debe desecharse el concepto erróneo de que siempre es posible establecer selectividad temporal de protecciones o que ésta depende exclusivamente de la regulación. Existen multitud de situacione situacioness en las que es imposible establecer un unaa selectividad selectivid ad temporal en todo el campo de las corrientes de falla calcula calculadas das o esperadas en la red. Ello es debido a que las curvas características Tiempo-Corriente de las distintas protecciones involucradas no son seudoparalelas por que obedecen a criterios distintos de diseño y/o de conservadurismo del diseñador o de la norma aplicada. Se debe tener mucho cuidado a la hora de admitir equipos de diversa procedencia, y a pedir información de detalles a los distintos fabricantes para comprobar que serán aplicables a nuestras redes y se coordinarán con los ya disponibles. 23

 

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En la figura 2.2 se muestra una característica Tiempo-Corriente de un interruptor de BT: y de un fusible con coordinación para rangos altos de corriente (curva 1), como corresponde a la correcta utilización del fusible y otro (curva 2) que corresponde a una situación indeseable, por que el fusible no sirve para nada, ya que es de curva lenta, y aunque pudiera ser adecuado para proteger motores, no lo es para la función específica asignada, ya que no se coordina con el interruptor situado arriba. Cuando ocurra un corto circuito (rango de corrientes altas) lo más probable que ocurra es que el tiempo dellafusible serádespejada más largo yque de disparo del interruptor, entonces disparará éstede y, fusión aunque falla será loselequipos protegidos, la funcionalidad no será adecuada. 10   ⁿ

2 Fusible lento

10³ t (s)

1 Fusibl Fusiblee rá ido

10²

10

. 1

10 –¹

10–² 1

10

10 10²²

I A

Figura 2.2 característica de tiempo corriente de un interruptor y un fusible

Los estudios de coordinación de los sistemas eléctricos de potencia consisten en un estudio sistemático y organizado de los Tiempo-Corriente de todos los dispositivos dispuestos en serie desde la fuente de energía a las cargas. Este estudio, es una comparación de los tiempos que toman los dispositivo dispositivoss individuales para operar cuando determinados niveles de corrientee normal o anormal circulan a través de los dispositivos de protección. corrient Debería realizarse un estudio preliminar de coordinación durante el planeamiento de un nuevo sistema. Este estudio puede indicar principalmente el tamaño de los transformadoress de medida y de los cables de control. El estudio tentativo debiera ser transformadore confirmado por un estudio final antes que las características finales del equipo sean determinadas. Un estudio de coordinación o una revisión de un estudio previo debiera efectuarse cuando:   •  • 

•

En una planta existente se agregan cargas Cuando se reemplaza algún equipo important importante. e. Si los niveles de cortocircuito cortocirc uito de la fuente cambian. 24

 

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El objetivo de un estudio de coordinación es para determinar las características, niveles y ajustes de los dispositivos de sobrecorriente principalmente, los cuales deberían actuar ante una perturbación o falla del sistema. El estudio de coordinación arroja datos para la selección de instrumentos, razones de transformación de transformadores de corriente, características y tipo de los relés de sobrecorriente, características de los fusibles, ajustes de niveles de baja tensión y de interruptores. 2.2

Consid eraciones pri primarias marias..

Para el proceso de una coordinación de protecciones se deben tomar en cuenta las siguientes consideraciones. 2.2. 2.2.1 1 Corrientes de corto circu ito: ito : Las corrientes de corto circuito que se originan por diversas causas en los sistemas eléctricos son alimentadas por elementos activos: generadores, motores, etc. y se limitan por elementos pasivos del sistema: impedir impedancias de conductores, motores transformadores, transformadore s, ggeneradore eneradores, s, etc. 2.2. 2.2.2 2 Interva Intervalos los y tiempos de coordinación coordinación:: Cuando se dibujen las curvas de coordinación, determinados tiempos o intervalos deberán mantenerse mantenerse entre las curv curvas as de diferentes dispositivos dispositivos en orde ordenn de obtener una adecuada secuencia de operación de los dispositivos. Estos intervalos son important importantes es sobre todo porque los fusibles y los interruptores en particular tienen tiempos de despeje de falla diferentes de los tiempos de fusión y por otro lado, los interruptores demoran en las operaciones. Cuando se coordine relés de sobrecorriente, el tiempo de intervalo es de 0.3 a .4 segundos. Este intervalo deberá considerarse entre curvas de relés a las corrientes máximas de falla de la red eléctrica de potencia. Este intervalo consiste de los siguientes componentes:   •  • 

Tiempo de operación del interrupt interruptor or ( 5 ciclos) ………. 0.08 s Traslape de curvas ………………………………………. 0.10 s Factor de seguridad ………………………………. 0.12 a 0.22 s

•

Este margen puede ser disminuido en pruebas en terreno de relés y breaker verificando que permita la operación y coordinación adecuada de los dispositivos. El traslape de curvas de relés muy inversos y extremada extremadamente mente inversos es menor qu que e en los relés inversos. Cuando Cuando se utilizan relés de estado sólido los traslapes se eliminan. En sistemas que usen relés tipo disco de inducción, puede reducirse el tiempo de traslape empleando un relé de sobre corriente tipo instantáneo con una alta pendiente de una unidad instantánea conectada en el mismo circuito de potencia y control que la unidad de tiempo. Los tiempos de intervalo en sistemas altamente calibrados considerando unidades instantáneas es de 0.25 s. El mínimo tiempo es de 0.15 s. (Que es: 0.03 s. reset instantáneo + 0.05 s. retardo de operación de una unidad interruptor de vacío + 0.07 s. factor de seguridad).  

Cuando coordine relés con fusibles de impulsión, el traslape de relé y el tiempo de operación del interruptor no debe considerarse para el fusible. Los márgenes de traslape cuando dibuje las curvas de los relés y de fusible, además de los márgenes de seguridad, considerar algún tiempo adicional cuando sea posible. La misma consideración consideraci ón en el caso de relé a relé. Sin embargo bajo 1 s. se puede considerar alguna reducción de los márgenes.

 

Cuando coordine dispositivos de acción directa con circuito breaker de baja tensión tales como fusibles dispuestos en el lado de la fuente, en el mismo nivel de tensión, se recomienda margenser delcorregidas 10 % de sobre corriente. Las gráficas publicadas de tiempo de fusiónundeberán por temperatura ambiente o precargarlas si el constructor del fusible suministra los datos necesarios para la corrección. 25

 

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Sin embargo si el fusible es precargado al menos del 100 % de su corriente nominal y la temperatura ambiente es más baja que 50 0C, la corrección del tiempo mínimo de fusión, es usualmente menos que el 20 % del tiempo. Dado que la característica de las curvas tiempocorriente de los fusibles son dibujadas con los márgenes gráficos (grueso de las líneas) normales, prácticamente no se requieren factores de corrección adicionales. Cuando un circuito circuito breaker de bbaja aja tensión cuenta con un ddispositivo ispositivo de de acción directa (magnético) es coordinado con relé operados con breaker, el tiempo de coordinación es usualmente 0.4 de s. Este intervalo de intervalo puede decremento untiempo tiempoentre más el corto como se explico en elde caso coordinación relé iraen relé. El margen ade tiempo total de aclaración de un fusible y la curva de corriente superior del relé no debiera ser menor de de 0.1 s. Cuando se coordine CB cada uno equipado con dispositivos de acción directa, las curvas no pueden estar sobrepuestas sobrepuestas.. En general sólo un escalón se planifica como retardo entre las diferentes curvas características de los breaker.  

Transfor Transformadores madores Delta-Estrella : Cuando se aplica una protección por fusible en el lado de alta tensión conectado en delta de un transformador en conexión delta-estrella, debe considerarse un incremento del 16 % en la magnitud de las corrientes en el fusible del lado delta.

2.2.3 2.2 .3 Ca Capacidad pacidad de corri ente de un cable cable:: La capacidad de corriente de un cable, es la máxima corriente que puede fluir a través de un conductor conductor sin que se dañe el conductor conductor o el aislamien aislamiento. to. Normalmente esta capacidad se encuentra en tablas. NEC - ANSI C1-1975. Esta capacidad es establecida para el hecho de que no hay más de tres conductores en un ducto y que la temperatura ambiental no es más de 30 0C o 86 0F. Si estas condiciones no se cumplen la capacidad debe afectarse por factores expresados por la Sección 310’15 de la NEC. En condiciones de coordinación, el cable debería soportar la corriente máxima de falla durante el tiempo en que la protección de respaldo de la protección primaria del cable demore en actuar. 2.2. 2.2.4 4 Sa Saturación turación d e tra transfo nsfo rmadores de corriente corriente:: El principal criterio para la selección de un transformador de corriente, es la razón de transformación. Un segundo criterio para esta selección, es determinar la máxima corriente de interrupción ante un corto circuito. Es necesario verifica verificarr que el transformador de corri corriente ente no se sature. Esto se realiza comprobando el punto de trabajo del TC efectuado en su gráfico. Los elementos de acción instantánea debieran trabajar bajo la zona de saturación del TC. 2.2.5 Como leer las curvas de tiempo-corriente: tiempo-corriente: Es necesaria una comprensión básica de las curvas tiempo-corriente para un estudio de coordinación. En una gráfica de coordinación, el tiempo 0 s. es considerado como el tiempo en la cual se produce la falla o perturbación. Todos los otros tiempos se relacionan con esta base. Para un sistema tipo radial, r adial, todos los dispositivos dispositivos entre la falla y la fuente son afectados por la misma corriente hasta que se interrumpe el circuito. Una gráfica de coordinación considera que la región abajo y la izquierda de la curva es un área de no operación. Las curvas son una familia de pares (Corriente y tiempo) los cuales indican cual es el período que requiere un dispositivo para actuar para un determinado valor de corriente. Las curvas de relés son no normalmente rmalmente representada representadass por una lílínea nea simple. Los CB se representan por zonas de operación. La banda representa el máximo y mínimo tiempo para el cual representa se espera la operación del dispositivo. Lafigura región2.3 sobre y la derecha de de la curva o banda, el área de operación. En la se muestra la curva disparo de un fusible para tiempos cortos largos e instantáneos. 26

 

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I (kA) FIG. 2.3 curvas de disparo

2.2.6 2.2 .6 Curvas AN ANSI SI para transfor tr ansformador madores es Para poder representar en la grafica las curvas ANSI de los transformadores debemos de obtener los ajustes del interruptor y la capaci capacidad dad de los fusibles de la tabla 2.1 que muestra muestra la protección de transformado transformadores res y la de las categorías de transformadores mostradas mostradas en la tabla 2.2 TABLA 2.1 PROTECCION DE TRANSFORMADORES P RI M A RI O

S E C UN DA R I O

MAS DE 600 V

600 V ó

MAS DE 600 V

menos 

Impedancia de

 Ajuste del

Capacidad

 Ajuste del

Capacidad

Interruptor

transformador

interruptor

del fusible

interruptor

del fusible

o fusible

(Z%)

% Ipc

% Ipc

% Ipc

% Ipc

% Ipc

Z% < 6

600

300

300

250

125

6