Casopractico Calculo de Fusibles

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1.4.3

Caso practico 7:

Para el circuito unifilar de la figura 15 se deberán encontrar los calibres de los fusibles que coordinan selectivamente selecti vamente con un reconectador reconecta dor de In = 50 A, ciclo de operación igual a una operación rápida y tres lentas (1 A + 3 B), y la reconexión es de un segundo.

Figura 15, Circuito unifilar del caso practico 7

Desarrollo:

En este caso el sistema que se desea proteger consta de cuatro fusibles y el reconectador. El fusible F1 deberá coordinar selectivamente con el resto de los fusibles y todos con el reconectador. Por lo tanto será necesario seleccionar seleccionar los fusibles fusibles teniendo como base la coordinación fusible-fusible y luego verificar que los fusibles coordinan selectivamente con el reconectador. Como hemos visto en el caso practico 7, existe solamente un grupo de fusibles que pueden coordinar selectivamente con un reconectador determinado. Este conjunto esta definido por los fusibles cuya curva de tiempo mínimo de fusión intercepta a la curva rápida del reconectador corregida por el factor “k”. Por lo tanto se puede utilizar esta información desde el inicio del problema y luego verificar o lograr la coordinación fusible-fusible con los calibres que verdaderamente coordinan con el reconectador. En la figura 16 se puede apreciar las curvas de tiempo mínimo de fusión para fusibles de expulsión y la curva rápida del reconectador de In = 50 A, donde se han multiplicado los tiempos por el factor k. Por lo tanto los Calibres de los fusibles que pueden ser utilizados con este reconectador son: Calibres que tienen limite máximo de coord. con el reconectador de In = 50 A 15 S

20 S

25 S

30 S

40 S

50 S

65 S

80 S

100 S

125 S

18

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Figura 16, Limite máximo de coordinación reconectador-fusible

Para tener en cuenta el limite mínimo de coordinación se podrán utilizar aquellos fusibles cuya curva de máximo tiempo de despeje, intercepten a la curva lenta del reconectador. Por lo tanto los valores de la corriente de falla en el punto de instalación de los fusibles deberán ser mayor que el limite máximo. En la figura 17 se puede observar las intersecciones entre las curvas de máximo tiempo de despeje de los fusibles y la curva lenta del reconectador. Como se puede ver los dos calibres mas grandes 150 y los menores a 30 A, no interceptan a la curva lenta, por lo tanto estos fusibles pueden no coordinar. Los menores de 30 A no tienen problema con el limite mínimo, porque las características de operación de estos fusibles están por debajo de la curva lenta y por lo tanto el limite mínimo es 100 A. Para los mayores de125 A no existirá coordinación. 19

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Figura 17, Limite mínimo de coordinación reconectador-fusible

Se debe remarcar que las dos condiciones son necesarias; que se cumpla el limite mínimo de coordinación y el limite máximo. Por si solas ninguna de las condiciones es suficiente. Selección de los calibres:

Haciendo uso de los valores determinados precedentemente se determinaran los calibres para los distintos puntos de protección del sistema de la figura 15. 20

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Primer paso:

Selección de los calibres de los fusibles de extremo de línea puntos F2, F3 y F4. Partiendo de los fusibles que coordinan con el reconectador se determinan los calibres  para estos puntos. Punto F2: I de carga 11 A

Icc max. 250 A

Icc min. 100 A

Calibre selec. 20 S

Limite max. 450 A

Limite min. 100 A

Icc max. 400 A

Icc min. 200 A

Calibre selec. 20 S

Limite max. 450 A

Limite min. 100 A

Icc max. 450 A

Icc min. 280 A

Calibre selec. 25 S

Limite max. 600 A

Limite min. 100 A

Punto F3: I de carga 15 A Punto F4: I de carga 18 A

Los valores de los límites máximos y mínimos fueron obtenidos de tabla 5 y 6. Resultados: Punto F2 F3 F4

Calibre [A] 20 20 25

Segundo Paso:

Se determinará el calibre del fusible F1 que deberá coordinar selectivamente con el reconectador y con el resto de los fusibles. En este punto particular para la coordinación fusible-fusible, si el fusible F1 coordina selectivamente con el mayor de los calibres de F2, F3 y F4, se cumplirá que coordina selectivamente con el resto. Por lo tanto de la tabla 4 para un fusible del lado de la carga de calibre 25 S, se determina un fusible de 40 S que coordina selectivamente con el 20 S hasta un valor de corriente de falla de 1300 A, que es mayor que los 450 para el punto F4. Tercer Paso:

Se deberá verificar la coordinación selectiva entre el fusible F4 y el reconectador. Por lo tanto de tabla 5 el valor del limite máximo es de 1200 A que es mayor que los 650 A de la corriente de cortocircuito máxima del punto F4 y de tabla 6 el limite mínimo es de 120 que es menor que los 450 A de la corriente mínima de cortocircuito del punto F4. 21

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Resultado Final Punto F1 F2 F3 F4

1.5

Calibre [A] 40 S 20 S 20 S 25 S

Coordinación reconectador-seccionalizador

Como se ha visto en la parte teórica el seccionalizador es un dispositivo de  protección que se utiliza asociado con el reconectador para lograr la coordinación selectiva en el sistema de distribución de energía eléctrica. La gran ventaja de este dispositivo es que su operación es independiente de una curva de tiempo corriente, utilizándose en los puntos del sistema que no es posible seleccionar un calibre de fusible que coordine con el reconectador, debido a que las corrientes mínimas y máximas de cortocircuito se encuentran fuera de los limites mínimos y máximos de coordinación reconectador-fisible. Los seccionalizadores deben estar asociados a los reconectadores debido a que la operación se realiza por la aparición de la corriente de falla (cuando es superior a la nominal), cuenta los ciclos de reconexión del reconectador y luego de alcanzar el valor ajustado, produce la apertura cuando el reconectador esta abierto. De manera tal, que cuando el reconectador realiza el recierre, la corriente de falla ha desaparecido por la operación del seccionalizador. Por lo tanto es muy importante la relación entre la  bobina de operación del reconectador y la del seccionalizador, para que los mismos estén sintonizados en los mismo niveles de corrientes de falla. Como se puede ver el seccionalizador tiene prestaciones superiores al fusible (flexibilidad, seguridad y conveniencia), pero esto se ve contrastado con su elevado costo en relación al de los fusibles de expulsión. Desde el punto de vista de la coordinación como el seccionalizador no tiene curva característica de operación tiempo-corriente, se pueden señalar las siguientes ventajas de aplicación: a) Puede ser aplicado entre dos dispositivos de protección que tienen curvas de operación tiempo-corriente muy juntas. Esto es vital en puntos del sistema que no es  posible aplicar un escalón de protección adicional.  b) Puede ser aplicado en puntos del sistema donde las corrientes de cortocircuito no  permiten la coordinación con fusibles. Desde el punto de vista de la coordinación selectiva entre el reconectador y el seccionalizador la regla se puede expresar por: “el rango de corrientes de operación debe ser el mismo para ambos dispositivos” . Como ejemplo, para los reconectadores hidráulicos las bobinas de operación debían ser iguales. Los dispositivos con control electrónico tienen mayor flexibilidad pero se debe asegurar para una coordinación selectiva que el rango de operación del reconectador y el seccionalizador es el mismo. 22

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1.6 Coordinación reconctador-secionalizador-fusible El caso mas común de coordinación se presenta cuando en el circuito a proteger tenemos un reconectador que deberá coordinar selectivamente con un seccionalizador y fusibles del lado de la carga. 1.6.3

Caso practico 8

En el circuito de la figura 18 se trata de coordinar selectivamente el reconectador con las protecciones ubicadas en el punto 2 y 3. El reconectador es de In = 50 A, con un ciclo de reconexión igual a una operación rápida y tres lentas ( 1 A + 3 B), y un intervalo de recierre de 1 segundo. Los valores de las corrientes máximas de carga y de corto circuito están indicados en la figura.

Figura 18, circuito unifilar para el caso practico 8

Primer paso:

El primer paso es la determinación del calibre del punto P2, teniendo en cuenta el ciclo de operación del reconectador de tabla 5 (pag. 16) se puede seleccionar un fusible de calibre igual a 40 A, cuyo limite de coordinación máximo con el reconectador es de 1200 A, que es superior a 1050 A (corriente de cortocircuito máxima en P2). De tabla 6 (pag. 17) obtenemos el límite mínimo de coordinación para el fusible de 40 A que es igual a 120 A y es menor que 250 A, correspondiente a la corriente mínima de cortocircuito de P2. Por lo tanto el fusible tipo S de calibre 40 A coordina selectivamente en el punto P2 con el reconectador. Punto P1:

Para el punto P1 podemos tratar de seleccionar un fusible que coordine selectivamente con el reconectador y con el fusible del punto P2. Por lo tanto de la tabla 5 podemos escoger un fusible de 65 A que tiene un limite máximo de coordinación de 1800 A que es mayor a los 1100 A, correspondiente a la corriente de cortocircuito máximo del punto P1. De la tabla 6 el limite mínimo de coordinación para el fusible de 65 A es de 580 A y este valor es superior a los 450 A, correspondiente a la corriente de cortocircuito 23

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mínima del punto P1; por lo tanto el fusible de 65 A no coordinara con el reconectador  para corrientes menores a 580 A y que son superiores o iguales a los 450 A. Esto implica que existe un rango de corrientes de falla que provocaran la operación del fusible en la primera operación rápida. Para calibres mayores como el limite mínimo aumenta, también aumentara el rango de corrientes de falla y por lo tanto también no se cumple con la coordinación. Como vemos no es posible seleccionar un calibre inferior a 65 A por ejemplo 50 A, debido a que no coordinaría selectivamente con el fusible del punto P2 (calibre S 40 A). Tampoco un calibre mayor, por lo tanto para este circuito con estos valores de corriente de falla, no es posible seleccionar un calibre de fusible que verifique la coordinación selectiva para punto P1. Segundo paso:

Debido a que no es posible seleccionar un calibre de fusible para el punto P1 que coordine selectivamente con el reconectador es necesario utilizar para este punto un seccionalizador. Este deberá coordinar selectivamente con el reconectador y el fusible. Como hemos visto el seccionalizador no posee curva de tiempo-corriente, por lo tanto  para su coordinación selectiva con el reconectador y el fusible es necesario que se cumplan los siguientes puntos: a) Que el seccionalizador este asociado al reconectador, de tal manera que el rango de operación sea el mismo para ambos dispositivos.  b) Que la regulación de los conteos del numero de operaciones del reconectador,  permita la operación del fusible y en el caso de que la falla persista (cuando la falla esta entre P1 y P2) opere el seccionalizador. Por lo tanto teniendo en cuenta estos puntos se deberá optar por un seccionalizador de In = 50 A, regulado a la tercera operación del reconectador (segunda operación lenta). De esta manera se cumplirá que cuando la falla esta ubicada aguas a  bajo del punto P1 y es permanente opera el fusible en la segunda operación del reconectador (primera operación lenta) y si la falla esta ubicada entre el punto P1 y P2 opera el seccionalizador en la tercera operación del reconectador (segunda operación lenta); cumpliéndose la coordinación selectiva. Resultados final: Punto P1

P2

Dispositivo de protección Seccionalizador In = 50 A, regulado en la operación 3 del reconectador Fusible Expulsión Velocidad S calibre = 40 A

1.7 Coordinación rele-reconectador Es muy común que en el sistema de distribución de energía eléctrica se presente la necesidad de coordinar selectivamente un relé con un reconectador. En algunos casos el relé esta ubicado aguas arriba de la ubicación del reconectador y en otras corresponde con la protección primaria de la estación transformadora. Como ambos dispositivos  poseen curvas de operación tiempo corriente, para que exista selectividad las curvas de 24

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respuesta no deberán tener ningún punto de corte, en todo el rango de corrientes de falla, correspondiente a la ubicación física de estos dispositivos. Por lo tanto para asegurar la coordinación selectiva de estos dispositivos se deberán comparar las curvas en la hoja de coordinación. Se debe aclarar que pueden aparecer algunos problemas adicionales, cuando se debe coordinar selectivamente un relé electromagnético con un reconectador, debido a que el relé puede sumar parcialmente las operaciones del reconectador y la coordinación selectiva fracasar. En las operaciones del reconectador el relé detecta la corriente de falla y inicia su temporización con desplazamiento del disco, si el retorno a la posición de reposo no es totalmente alcanzado durante el tiempo de recierre, cuando aparezca nuevamente la corriente de falla iniciara su movimiento desde una posición desplazada del punto de reposo, acortando el tiempo de respuesta, pudiéndose producir la operación del relé; a  pesar de que la ubicación de la falla es aguas a bajo del reconectador. Por lo tanto esta situación es equivalente a desplazar hacia abajo la curva de operación del relé o comparar la curva de operación del reconectador con los tiempos acumulados del relé. Si el relé es electrónico posee mas flexibilidad ya que su tiempo de receteo o de regreso a la condición inicial de operación es bajo, del orden de los 40 milisegundos.

1.7.3

Caso practico 9

En el circuito de la figura 19 se trata de coordinar selectivamente el relé de la  protección primaria del transformador, con el reconectador. Las curvas de operación se  pueden apreciar en la figura 20. El relé es de tipo electromagnético y el reconectador es de In = 50 A, con un ciclo de reconexión igual a una operación rápida y tres lentas ( 1 A + 3 B), y un intervalo de recierre de 1 segundo.

I>>

Figura 19, Circuito unifilar del caso practico 9

Desarrollo: Como podemos observar en la figura 19, el relé de sobrecorriente tiene una curva de operación que se encuentra ubicada por encima de la curva mas lenta del reconectador.

Como se explico es necesario verificar que durante el ciclo de operaciones del reconectador el relé no dispare. Por lo tanto tomaremos un punto de la curva para 25

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verificar la coordinación selectiva. El punto seleccionado es de una corriente de falla de 1000 A, los tiempos de operación de las protecciones se detallan en la tabla siguiente:

Curva del relé

me i T

o p

Curvas del reconectador 

Corriente [A] Figura 20, curvas de operación de los elementos de protección, para el caso practico 9

Dispositivo de protección Reconectador curva A Reconectador curva C Relé

Tiempo de operación [seg.] 0.045 0.24 0.60

Por lo tanto si el relé tiene para este valor de corriente un tiempo se regreso a su  posición inicial (tiempo de reset) igual a 15 segundos, vamos a verificar como ha respondido el relé durante el ciclo del reconectador. La respuesta del relé la podemos calcular de la siguiente manera:  Porciento de operación del  relé 

  . .   . =  t  op recon ⋅ 100       t . op. relé    26

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 Porciento de reset  del  relé 

Operación

Primera operación rápida A Reconectador abierto, reset del relé Primera operación lenta C Reconectador abierto, reset del relé Segunda operación lenta C Reconectador abierto, reset del relé Tercera operación lenta C

    =  interv. de recierre ⋅ 100       t . reset  relé   

Porcentaje de la operación del relé 7.5

Porcentaje acumulado

- 6.67 40 - 6.67 40 -6.67 40

0.83 40.83 34.16 74.16 67.49 107.49

7.5

Resultado:

Como podemos observar en la tabla precedente, en la columna de porcentaje acumulado de la operación del relé, el valor alcanzado por el relé después que el reconectador realizo todo su ciclo de operación es mayor que el 100 %; lo que implica que el relé también opero y no se verifica la coordinación selectiva. Por lo tanto es necesario cambiar el ciclo de operación del reconectador y pasar a un ciclo de dos operaciones rápidas, seguidas de dos operaciones lentas (2 A + 2 C). La falta de coordinación entre el relé y el reconectador es debido principalmente al elevado tiempo de reset del relé, por lo tanto este tiene un papel muy importante cuando se trata de realizar la coordinación en estos casos. También se podría haber aumentado el tiempo de recierre a un valor mayor de 1 segundo. 1.7.4

Caso practico 10

Se debe regular el relé de corriente máxima de la figura 21, para que coordine selectivamente con el reconectador. En este caso se utilizara un relé electrónico con las curvas de operación de la figura 22. El reconectador que se utilizara tiene una In = 50 A, con las curvas de operación de la figura 20. El ciclo de operación del relé es de una operación rápida y tres lentas (1 A + 3 C).

I>>

Figura 21, unifilar para el caso practico 10

Desarrollo:

27

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Para poder realizar la coordinación selectiva entre el relé y el reconectador seleccionaremos una curva de operación para el relé y luego verificaremos que se cumpla la coordinación selectiva con el reconectador.

Primer paso:

Para seleccionar una curva de operación para el relé se debe definir un valor de corriente de arranque y un multiplicador de tiempos “tp” que permita fijar la curva de operación. En este caso como es un relé electrónico posee distintos tipos de curas (inversa, extremadamente inversa, muy inversa, etc.) y para cada tipo de curva se puede fijar la curva de operación con el factor “tp”. Para definir la corriente de arranque correspondiente con el menor valor de corriente de falla que el relé detectará, se debe analizar las protecciones aguas abajo,  junto con los valores de corriente de cortocircuito. Se puede pensar en aplicar un criterio de ajustarla a un valor bajo, con la finalidad de proteger sobrecargas, resultando en todos los casos una solución de compromiso, entre el mínimo valor de operación y el rango de respaldo logrado. Además es necesario ubicar la curva del relé por debajo de la curva de sobrecarga del transformador de la estación, por lo tanto basándonos en la figura 23 (hoja de coordinación) seleccionamos una corriente de arranque de 100 A. Para encontrar la curva de operación del relé se deberá asignar un valor a tp; de la misma figura se puede iniciar la determinación con un valor de tp =0.4. Segundo paso:

Con los valores obtenidos en el paso anterior de la corriente de arranque y de tp se debe dibujar en la hoja de coordinación la curva de operación del relé. De la figura 22 se obtienen los valores de operación en tiempo y corriente, los que se dibujan en la figura 23.

Tercer paso: Se deben determinar los valores de regulación de la protección, para ser cargados en el relé. En este caso utilizaremos el relé con una curva de operación de tiempo inverso y una curva de tiempo fijo, para valores altos de la corriente de falla. Los valores a determinar corresponden con: Ip de la corriente para la curva de tiempo inverso, el valor de la corriente de arranque para la curva de tiempo constante y el valor del retardo para la operación en esta curva.

Para determinar Ip utilizaremos las siguientes formulas:

 I  f 

=

n  I  s

28

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 I s

= k m  Ip = km Tap  In

Figura 22, Curvas de operación del relé para el caso practico 10

Tap

=

 I s  K m  In

=

 I  f  n  K m  In

=

100 20 ⋅ 1.2 ⋅ 5

= 0.83

Donde:

I p = Corriente de regulación del relé. Is  = Corriente secundaria. n = Relación de transformación del TI. K m = Relación de corriente de arranque. In = Corriente nominal del relé. Tap = múltiplo de la corriente de disparo.

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La curva de tiempo fijo se determina en función de las corrientes de falla, considerando que la máxima corriente a respaldar es de 1250 A en el punto de ubicación del reconectador. Para valores de corriente de falla mayores implica que la ubicación de la falla esta aguas arriba del reconectador, por lo tanto la operación del relé tiene que ser la mas rápida que se pueda. Por lo tanto se tiene: Ø Ø

Disparo instantáneo en 1250 A. Tiempo del instantáneo 50 ms.

Cuarto paso:

Por ultimo debemos verificar que durante las operaciones del reconectador, el relé no llega a disparar. Para este caso particular que utilizamos un relé electrónico el tiempo de regreso a la posición inicial es muy bajo 40 ms, por lo tanto en los recierres del reconectador el relé logra el reset, cumpliendose que el relé bajo estas condiciones coordina selectivamente con el reconectador. Resultados Variable Tap tp Ip = In . Tap I> Top>

Resultado 0.83 0.4 4.15 1250 50

10000

1000

100

Curva de tiempo inverso del Relé Curva de sobrecarga del Transformador 

10    ]  .   g   e   s    [   o   p   m   e    i    T

1

Curva Lenta del Reconectador "C" 0.1

0.01

0.001 10

100

1000

10000

Corriente [A]

S ob re ca rg a 1 00 0 K VA

C ur va C d el re co ne ct ado r

7 SJ 60 0 I in v

7 SJ 600 I> > e I> >>

Figura 23, hoja de coordinación para el caso práctico 10 30