Conferencia 4. Selección de Los Breakers y Su Coordinación

Profesor: Dr. Orlys Ernesto Torres Breffe PROFESOR CUBANO

Conferencia 4 La selección de los breakers y su coordinación

Sumario:  Introducción  Características generales de las Redes de Distribución de bajo voltaje  Interruptores Automáticos de Caja Moldeada (Breakers)  Selección de breakers y su coordinación  Conclusiones Objetivo: Brindar a los cursantes los conocimientos necesarios relacionados con los regímenes anormales y averías en las redes de bajo voltaje y las técnicas de selección de los breakers. Preguntas de entradas: 1. ¿Cómo usted seleccionaría los breakers de los hogares? 2. ¿Se han dado casos en su empresa de disparos de los breakers de los medidores cuando arranque un consumidor dentro del hogar? 3. ¿Quien cree usted que protege al medidor durante las averías? Bibliografía: 1. De la Incera, Carlos... [et al]. Problemas Resueltos y Propuestos De Protecciones De Sistemas Eléctricos_ La Habana: ISPJAE, 1989 _ 236p. 2. Donald Beeman...[et al]. Industrial Power Systems. Handbook_La Habana: Instituto Del Libro, 1969 _971p. 3. Metz-Noblat, Benoît. El rayo y las instalaciones de AT. Cuaderno Técnico Schneider No. 168_ Schneider Electric Biblioteca Técnica. 1998, p67. Protecciones Eléctricas de las Redes de Distribución

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4. Line Material Company. Distribution System Protection and Apparatus Coordination. USA. 1962, 89p. 5. Calvas, Roland. Los interruptores diferenciales de corrientes residuales en baja tensión. Cuaderno Técnico Schneider No.

114_ Schneider Electric Biblioteca Técnica. 2001,

p35. 4.1 Introducción: En los circuitos de bajo voltaje que se encuentran alimentados con voltajes menores de 1000V, se emplean ampliamente los fusibles y los breakers. Estos últimos están reemplazando a los primeros por su acción tripolar y por su facilidad a la hora de reposicionar o reenergizar el circuito. Los circuitos o sistemas de baja tensión son donde con menos rigurosidad se seleccionan los dispositivos de protección. Por esas razones se encuentran casos y quejas a las empresas de equipos deteriorados e incluso, los propios cables deteriorados sin desconexión. Los breakers no solo se seleccionan a partir de su corriente nominal, es importante conocer los regímenes de comportamiento de la carga, para seleccionarlos adecuadamente, así como la tipología de la red. 4.2. Características de las Redes de Distribución de bajo voltaje Los usuarios de bajo voltaje de una empresa eléctrica son las industrias y los hogares. Las industrias normalmente poseen un sistema de protección más complejo que los hogares, pero no por eso son sistemas mejor protegidos. Los hogares normalmente se protegen con un breaker conectado en la posición del medidor, y en algunos casos, en casas más modernas, con una caja de breakers o caja de interconexión (figura 1). La mayoría de las veces estos breakers son escogidos por maestros plomeros o albañiles que creen conocer las técnicas necesarias para hacer esta tarea.

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Figura 1. Circuito típico de los circuitos de bajo voltaje mediante breakers.

Las industrias normalmente poseen un transformador alimentador que reduce el voltaje de media a bajo voltaje, para alimentar cargas que en la mayoría de los casos son motores y otras cargas bastantes consumidoras. En dependencia del tamaño (demanda) de la industria, así serán los tipos de protecciones que se empleen en las mismas. Normalmente se encuentra un breaker de caja moldeada o actualmente uno del tipo electrónico, en el secundario. Para la selección de este breaker en el secundario del transformador se siguen los mismos métodos que se emplean para la selección del breaker de los hogares que posean cajas de interconexión. En los hogares se pueden presentar demás de averías, regímenes transitorios severos que pueden ser confundidos por las protecciones como averías. Las averías más típicas de los circuitos de los hogares son las roturas de los aparatos, por defectos de aislamientos de los electrodomésticos, como las averías en los propios cables. Los aparatos electrodomésticos tales como: refrigeradores, las lámparas, hornos microondas, hornos eléctricas, entre otros, cuando se encienden hacen aparecer unas corrientes muy por encima de la corriente que circulan por terminales en régimen de máximo consumo. Este fenómeno es conocido como régimen transitorio de arranque y puede ser confundido por las protecciones como averías y por tanto, producir disparos. Los cables que se seleccionan para conformar las instalaciones de los hogares tienen una capacidad térmica amplia, es decir, toleran grandes corrientes, pero tiene límites. Un cable de calibre 12 AWG, tolera 25 A de forma continua sin que con ello se caliente excesivamente y se destruya. Un cable de calibre 10 AWG, tolera 30A de forma continua. Estos mismos cables poseen además una capacidad adicional para soportar corrientes por encima de la máxima térmica continua y esta capacidad es conocida como curva de límite térmico del cable. Protecciones Eléctricas de Redes de Distribución

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Cada equipo de la industria o del hogar por su parte tiene un consumo nominal que muestra en las placas o especificaciones del propio equipo. Se pueden encontrar lavadoras que consuman 1.5 A hasta 3 A. Los equipos más consumidores del hogar pueden ser los calentadores de agua que pueden llegar hasta los 7 A máximos de forma continua. Esta corriente nominal establece la corriente que circula por el equipo cuando está trabajando a potencia y voltaje nominal. Se conoce que los equipos pueden trabajar toda su vida útil a corrientes iguales o inferiores que la nominal, incluso se conoce que las máquinas alcanzan su mayor eficiencia cuando trabajan muy cerca al valor nominal. Cuando se diseña un circuito eléctrico para un hogar o una industria se considera además del consumo actual y futuro de cada uno de los equipos instalados, la distribución de este consumo. Se sabe que no todos los equipos del hogar o la industria alcanzan su máximo consumo al mismo tiempo. Es decir, puede que cuando arranque la lavadora, no exista nadie utilizando el calentador de agua y el refrigerador esté desconectado por su automatismo térmico por haber alcanzado la temperatura ideal. Al diseñar las redes de las industrias y los hogares se toman en cuenta estos conocimientos y los cables y otros equipos se seleccionan a partir de un factor de distribución determinado. Las protecciones deben igualmente considerar estos fenómenos transitorios y los factores de distribución del consumo de los equipos de los hogares y las industrias. En la figura 2 se muestra la capacidad de límite térmico de los cables que están publicadas en numerosas fuentes bibliográficas y que además deben ser ofrecidas por los fabricantes y/o vendedores de estos. Las curvas de límite térmico existen para cualquier equipo o elemento eléctrico. Es una curva que establece la relación inversamente proporcional entre la corriente y el tiempo. Mientras mayor sea la corriente que circule por el equipo, menor será el tiempo que este equipo podrá soportarla. Las curvas térmicas no son fijas, como el nombre de térmicas lo indica, en verdad se van desplazando en dependencia de la temperatura, normalmente, las curvas ofrecidas por los fabricantes son curvas en frio, es decir, cuando el equipo está operando a temperatura normal.

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Figura 2. Gráfico que representa la capacidad de límite térmico de los cables de cobre AWG

Debe quedar claro, que otros materiales como el aluminio o el aluminio reforzado por acero tienen otros tipos de curvas.

Incluso, en dependencia de los fabricantes estos utilizan

diferentes aleaciones de metales y/o concentración de los mismos, así que cada fabricante debe ofertar sus propias curvas de límites térmicos. Esto es muy importante, dado que al solicitarle al fabricante que brinde esta información, entonces solo dan las curvas ofrecidas por la norma ANSI que responde a la forma y el estándar de la propia fabricación que sigue ANSI. Otros investigadores han encontrado expresiones matemáticas, basadas en las características de calentamiento de los conductores sin considerar la absorción del dieléctrico que se encuentra alrededor del cable. En la figura 3 se muestra una de estas expresiones las cuales igual existen para otros tipos de aparatos que no son cables.

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Figura 3. Expresiones matemáticas del límite térmico de los cables de cobre y aluminio.

Sin importar de equipos se esté protegiendo, es siempre importante el conocimiento de su curva de límite térmico. En la mayoría de los casos al hacer la coordinación esta curva establece el límite máximo de velocidad de respuesta del dispositivo de protección. Es decir, las protecciones deben evitar que el equipo tolere una corriente de avería más tiempo que lo definido por su curva de límite térmico. Existen averías en las redes de distribución de bajo voltaje que dependen del tipo de red en particular. Si las redes son trifásicas, existirán todos los tipos de cortocircuitos: monofásicos, bifásicos y trifásicos, así como las averías relacionadas con las ondas viajeras de sobrevoltajes producidas por los rayos. Además existirán las averías o los regímenes anormales relacionados con la carga, tales como las sobrecargas. En los circuitos monofásicos pueden existir las averías tales como: fase a neutro y fase a tierra. Esta última avería puede tener características especiales en dependencia de la conexión del neutro del sistema. En sistema con neutros multiaterrizados, las averías de fase a tierra pueden tener gran magnitud, pero si el neutro no está aterrizado o la impedancia de la falla es muy alta, las averías pueden tener o mostrar una muy baja magnitud de la corriente, por lo que puede ser imperceptible a las protecciones.

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4.3. Interruptores Automáticos de Caja Moldeada (Breakers) Los breakers o interruptores son conocidos como los dispositivos primarios de protección empleados en las redes de bajo voltaje. Estos pueden tener diferentes clasificaciones según numerosos aspectos como lo son la cantidad de polos, el principio de funcionamiento, entre otros. Estos dispositivos tienen como función la protección de los circuitos de bajo voltaje. Cuando aparezca una gran corriente ya sea en las fases del circuito (breaker para la protección de fase) o en el neutro (breakers para la protección de tierra), entonces este abre sus contactos y desconecta el circuito o la parte del mismo que está averiado. En dependencia del principio de funcionamiento se conocen mayormente dos tipos: los magneto-térmicos y los electrónicos, siendo los magneto-térmicos los más conocidos y económicos en la actualidad. En la figura 4 se muestra una figura con imágenes de los interruptores magneto-térmicos de 1, dos y tres polos. Estos tienen sus empleos específicos. Los mono-polares (Unipolares) se emplean en las redes monofásicas, para ser instalado y que desconecte solo en la fase del circuito y el neutro se deja sin protección.

Los breakes bipolares se emplean en circuitos

monofásicos con dos fases, que son conocidos como circuitos bifásicos. Estos son circuitos ampliamente utilizando en las redes residenciales. Los breakers tri-polares son ampliamente empleados en las industrias que poseen cargas y circuitos trifásicos.

Figura 4. Tipos de breakers magneto-térmicos mayormente empleados en usuarios residenciales e industriales.

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La categoría o denominación de magneto–térmico proviene del principio de su funcionamiento. La parte térmica normalmente es un bimetal que posee una característica inversa entre el tiempo de acción y la corriente que circula por el mismo. La acción magnética normalmente es un solenoide que acciona con un mismo tiempo, cuando la corriente supera un valor determinado. En la figura 5 se muestra la curva de tiempo corriente de un breaker magneto – térmico cualquiera. Estas curvas no son iguales en todos los breakers, cada fabricante tiene diferentes series de fabricación y categorías de breaker y cada uno puede tener una curva ligeramente diferente uno del otro. Como se observa en la figura 5, se muestran dos zonas fundamentales en la curva del breaker una zona de tiempos largos y una zona de tiempos cortos. La zona de tiempos largos es también conocida como la zona térmica y la zona de tiempos cortos es la también conocida por la zona magnética. 1000

Current in Amperes

1000

1-LVCB GE E 100 TEB 15-50A Derivación:30.00 [A] ADJ PU:0.00

Current in Amperes 2-LVCB GE E 100 TEF 15-40A Derivación:30.00 [A] ADJ PU:0.00

100

100

2

1 10

Tie mp o e n se g u n d o s

Tie mp o e n se g u n d o s

10

1

1

0.1

0.1

0.01 10

100

1000

10000

0.01 10

100

0.48 kV

FECHA:

10000

NRO:

NRO: TENSION DE TRAZADO :

1000 CURVAS CARACTERISTICAS TIEMPO-CORRIENTE POR:

CURVAS CARACTERISTICAS TIEMPO-CORRIENTE POR:

TENSION DE TRAZADO :

0.48 kV

FECHA:

Figura 5. Curvas de tiempo corriente de dos breakers (30A) de caja moldeada Magneto- Térmico de la firma General Electric.

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En dependencia del tipo de bimetal empleado, existen numerosos tipos de curvas de tiempos largos. Es decir, en dependencia del fabricante e incluso dentro de un mismo fabricante, pueden existir diferentes grados de inversión de la curva de tiempos largos o curvas térmicas. Es un error cambiar un breaker por otro solo tomando en cuenta la corriente de operación nominal. A partir de un valor determinado de corriente la curva inversa, de tiempo largo o térmica, cambia bruscamente y pasa a una curva casi instantánea de operación. Esta corriente donde la curva cambia bruscamente es conocida como corriente de acción magnética, que en algunos breakers son cambiables o ajustables y en la mayoría no se puede modificar. Los breakers mayormente empleados poseen sus unidades de operación magneto – térmico instaladas en las fases por lo que operan para las corrientes de las fases, pero no todos funcionan así.

Algunos breaker puede medir las corrientes residuales (la suma de las

corrientes por las fases) que es igual a las corrientes de los neutros. Estas unidades pueden accionar contra averías a tierra. Otros breaker son conocidos como breakers diferenciales porque accionan con la diferencias entre la suma de las corrientes en la fases y la corriente que retorna por el neutro. Esta diferencia es cero en condiciones normales, pero puede comenzar a aparecer pequeñas corrientes cuando existen fugas a tierra. Este breaker también es conocido como protector del personal, porque evita que grandes corrientes circulen por las personas que hacen contacto con la electricidad. En la figura 6 se muestra una imagen del funcionamiento de breaker diferencial que por su apariencia no se diferencia mucho de los breakers de fase convencionales. Este tipo de breakers utiliza un transformador de corriente toroidal por el cual pasan los conductores de las fases, si existen más de una, y el neutro. Este toroide estará midiendo la suma de todos los conductores que no es más que la diferencia entre las corrientes por las fases y el retorno por el neutro. Solo acciona para averías que involucran un retorno de corriente por la tierra.

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Figura 6. Imagen de un breaker diferencial y diagramas de su funcionamiento para circuitos monofásicos y trifásicos.

Este tipo de breakers diferenciales no accionan para cortocircuitos entre fase y neutro, o entre fase y fase. Es un breaker que solo opera para averías de contactos entre las fases y la tierra. Estas son averías producto a deterioro de los aislamientos, contactos de las personas con los cables de fases, entre otras, por lo que es considerado una protección para corrientes muy bajas. Es típico que estos breakers operen para corriente muy bajas entre 10 y 30 mA. Estas ya son corrientes sensibles para el cuerpo humano, por lo que es un breaker que en teoría salvará a las personas que hagan contacto con la electricidad, porque solo la sentirán sin permitir que alcancen mayores niveles o por mucho tiempo. Existen breakers con funcionamiento electrónico que son más exactos y que poseen características más complejas y con ciertas capacidades de adaptarse a las condiciones deseadas por las diferentes instalaciones. En la figura 7 se muestra una curva de tiempo corriente de un breakers electrónico. Como se observa en la figura, las curvas son más rectas que las curvas exponenciales que forman los breakers magneto – térmicos. Además, muchas de estas curvas son modificables. Esta es la ventaja fundamental de los breaker electrónicos. El problema de estos breaker es que no pueden seguir el calentamiento de los equipos como si lo hace el térmico o la lámina bimetálica que poseen los breakers magneto-térmico. Es decir, un breaker eléctronico no puede seguir el calentamiento que se presenta en un cable con averías o regímenes transitorios repetitivos. Un ejemplo de regímenes repetitivos son los arranques de múltiples motores. Cuando un motor arranca, grandes corrientes muy superiores a la nominal pueden aparecer. Luego de un tiempo (algunos segundos) las corrientes Protecciones Eléctricas de Redes de Distribución

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disminuyen. En este tiempo de arranque tanto el motor como el cable que lo alimenta se calentaron. Los breakers electrónicos una vez que la corriente disminuyó por debajo de la nominal creen que el equipo está frio y para la próxima sobre corriente comienzan a reaccionar desde el principio sin considerar este calentamiento previo. Los breakers bimetálicos si consideran este calentamiento previo, dado que el bimetal si se precalienta al igual que el motor o el cable. Esto explica porque los breaker bimetálicos aún muestran superioridad en la protección de motores en bajo voltaje con respecto a los breaker electrónicos. 1000

Current in Amperes 1-LVCB GE M-PRO 20/30/40 Captador:30.00 [A] Banda larga duración:1.000 Ajustes actuales:1.00 Multiplicador larga duración:1.00 Mult. corta duración.:3.00 Banda corta duración:.100 Inst:6.00

100

1

Tie mp o e n se g u n d o s

10

1

0.1

0.01 10

100

1000

10000

CURVAS CARACTERISTICAS TIEMPO-CORRIENTE POR: NRO: TENSION DE TRAZADO :

0.48 kV

FECHA:

Figura 7. Curvas de tiempo – corriente de un breaker electrónico General Electric 30A.

4.4. Selección de los breakers y su coordinación La selección y coordinación de los breaker como cualquier coordinación de dispositivos de protección, es la técnica que permite ordenar las acciones de las protecciones eléctricas antes averías.

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Cuando ocurre una avería en un circuito eléctrico, las corrientes de averías circulan por todo el circuito y son censadas por diferentes dispositivos de protección. La coordinación es la capacidad que tienen los dispositivos de solo accionar para cuando ocurre una avería en su zona de protección y servir de respaldo a las protecciones de otros dispositivos, dejando un tiempo prudencial entre ellos (coordinación temporizada). Los breakers que se emplean en los consumidores poseen las siguientes exigencias: 1. No accionar para las corrientes normales y transitorias de los consumidores 2. Accionar siempre antes que el daño térmico del equipo que está protegiendo.

Figura 8. Gráfico de tiempo – corriente de la coordinación de los breakers de una industria.

En la figura 8 se muestran estas exigencias desde el punto de vista de la protección de los transformadores de una industria. La primera curva de la izquierda es la curva de arranque de un motor. Con esta curva no se puede hacer nada, porque es la establecida por la carga misma. Las otras dos curvas del extremo derecho son las curvas de límite térmico de dos transformadores. En este caso, el único espacio que queda para seleccionar protecciones es el Protecciones Eléctricas de Redes de Distribución

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tramo intermedio entre el arranque de los motores y la curva de límite térmico de los transformadores. Los breakers no pueden disparar para el arranque de los motores dado que estos son regímenes normales, aunque sean corrientes de alto valor (6 x In), por esta razón las curvas de los breaker deben estar a la derecha de la curva de arranque de los motores. Los breakers deben estar a la izquierda de la curva de límite térmico de los transformadores para que puedan protegerlos. Para hacer la selección de los breaker y o cualquier dispositivo de protección se deben cumplir estas características mostrada en la figura 8. Ya la coordinación entre protecciones es imprescindible dejar un espacio de tiempo entre ambos breakers (200 o 300 mili segundos). 4.5. ¿Dónde se colocan los Breakers? Esta pregunta de ¿dónde se instalan o colocan los breakers o los interruptores? Tiene mucha relación con la pregunta ¿cuántos breakers o interruptores se deben instalar? Normalmente se están instalando más interruptores que los necesarios y por tanto, se está afectando a la coordinación de los mismos. Se recuerda que el breaker tiene una posición muy rígida o poco flexible en el gráfico de tiempo – corriente (figura 8) de ahí que si se exagera la cantidad de los mismos, pues se estará afectando la coordinación necesaria. Lo más típicos problemas, que en este sentido aparecen, son aquellos relacionados con la instalación de breakers en lugares donde deberían estar instalados seccionadores bajo carga o sin carga. En la figura 9 se muestra un ejemplo de un interruptor de bajo voltaje que está de más por decirlo de alguna forma, o que está haciendo el trabajo de un seccionador. En este caso se representa un breaker de salida de una pizarra, que alimenta a otro centro de control de motores, y que este a su vez tiene otro breaker a la entrada. Normalmente, la distancia del cable que existe entre la pizarra y el centro de control de motores, puede no superar ni los 10 metros y como quiera es típica la instalación de dos interruptores en serie uno luego del otro.

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Cuando se le pregunta a los ingenieros de mantenimiento a cargo

¿qué función estaría

haciendo este interruptor en la entrada del centro de control de motores? La respuestas oscilan entre estas: 1. ¿Para proteger al centro de control de motores de una avería dentro del mismo? a. La respuesta no es satisfactoria, porque todos sabemos que lo mismo puede proteger el interruptor de salida de la pizarra de potencia. 2. ¿Para servir de respaldo en caso de que falle un interruptor de algún consumidor o motor? a. Esta respuesta tampoco es satisfactoria, dado que lo mismo puede hacer el interruptor que está instalado en la pizarra. 3. ¿Para dejar la pizarra sin energía y poder dar mantenimiento con seguridad? a. Esta es la respuesta más satisfactoria, pero para eso, en lugar de un interruptor se pudiera utilizar un seccionador que resulta mucho más barato y no afectaría la coordinación.

Figura 9. Diagrama unifilar típico de las industrias donde están instalado un interruptor haciendo el trabajo de seccionador.

Este problema no solo es típico en las industrias sino que también se observa al nivel de los usuarios residenciales. En algunas casas existe una caja de control o una caja de interruptores

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para proteger cada circuito interno y al mismo tiempo, se encuentra un interruptor principal al lado del medidor. Lo cierto es que en este caso, se deberían instalar seccionadores en lugar de interruptores. Probablemente este tipo de seccionadores, tenga un esquema de puesta a tierra, para garantizar la seguridad de los operadores y obreros durante el mantenimiento (figura 10).

Figura 10. Diagrama unifilar típico de las industrias donde están instalado un interruptor haciendo el trabajo de seccionador.

4.6. Conclusiones En los circuitos de bajo voltaje están instalados los consumidores y estos deben ser protegidos. Los consumidores poseen regímenes normales que pueden mostrar grandes corrientes y pueden confundir a las protecciones. Las averías en las redes de bajo voltaje pueden ser multiples en dependencia del tipo de red en cuestión. Las averías multifásicas tienden a provocar incrementos bruscos de la corriente. Las averías que involucran la tierra pueden ser de muy baja magnitud y por la tanto, no ser perceptibles por las protecciones. Los breakers son dispositivos primarios de protección. Son ampliamente utilizados los breakers magneto-térmicos y electrónicos. Estos breakers poseen características de tiempo – corriente diferentes incluso dentro de un mismo fabricante.

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La selección de los breakers posee dos exigencias fundamentales: no disparar para las corrientes normales de los equipos y/o circuitos y disparar lo suficientemente rápido para cuando las averías son reales sin que se dañen los equipos. Preguntas de control 1. ¿Podrá un breaker de 30A de una compañía ser sustituido por otro de la misma corriente de cualquier compañía o incluso de la misma compañía? 2. ¿Qué son los breaker diferenciales y por qué se llaman protectores de personas? 3. ¿Cree usted que se están seleccionando correctamente los breakers de los hogares en su empresa? 4. ¿Cree usted que el breaker instalado en el medidor, protege totalmente a los equipos consumidores? Motivación de las clases posteriores Las próximas clases serán ejercicios relacionados con la selección de los breakers y otros dispositivos para la protección de los consumidores. Se analizarán los procesos transitorios de los motores y otras cargas, así como las curvas de límite térmicos de los cables y los transformadores. En la próxima conferencia se tratarán los temas teóricos necesarios para la selección de los fusibles para la protección de los transformadores de distribución y las redes eléctricas primarias y secundarias.

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