Sistemas Electrotécnicos y Automáticos. Tema 20

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Tema 20. Protecciones de las líneas eléctricas de media tensión. Interrupto Interrupto res automáticos: ti pología, extinci extinci ón del arco, accionamiento. Seccionadores: Seccionadores: ti pos, características características y mandos. Fusibles cortacircuit os: tip olog ía y característic as. Puestas Puestas a tierra. Sistemas y partes. Relés: Relés: ti pos y características. Reenganchador. Autoválvulas y explosores. Criterios para la elecció elecció n de elemento elemento s. 20.1. Interruptores automáticos: tipología, extinción del arco, accionamiento 20.1 20.1.1 .1.. Interrup tor es para alta tensi ón Podemos distinguir los siguientes: a. - Interru Interru ptor es aéreos aéreos Se utilizan casi exclusivamente para instalaciones a la intemperie y utilizan el aire atmosférico para la extinción del arco. Son del del tipo de “cuernos" o de "antena”. La figura 20.1 representa un interruptor de este tipo en donde el aislador d   gira para la conexión y desconexión, juntando o separando los contactos a y b . En la desconexión al separarse el contacto a del b , se separan también las antenas c , entre las que se propaga el arco hasta su extinción. Estos interruptores son adecuados para redes rurales.

Figura 20.1

b. - Interruptores automáticos

Figura 20.2 Profesiones ones Técnicas. Técnicas. Santiago Santiago de de Com Compostela. postela. Tel: 981 553 553 622 Pértiga. Escuela de Profesi

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La extinción del arco se produce mediante una corriente de aire comprimido que crea el propio interruptor en la maniobra de apertura. El interruptor autoneumático puede llevar incorporados cortacircuitos fusibles de alto poder de corte. También se denomina interruptor ruptofusible. La figura 20.2 representa la vista frontal y lateral de este interruptor, en donde c son los contactos y d los cartuchos fusibles.  Al desconectarse el interruptor, en la bajada del contacto c, acciona el pistón e que produce la compresión del aire en él contenido, saliendo como chorro por el propio contacto e impidiendo la ionización del aire y por tanto el arco de ruptura. Estos interruptores llevan incorporados relés térmicos para la sobrecarga, que desconecta el interruptor y la fusión del cortacircuito fusible. Cuando se produce un cortocircuito, provoca igualmente la apertura del aparato. c. - Disyun tor es en baño de aceite La introducción de los contactos del disyuntor en aceite, hace que al producirse el arco de apertura, la vaporización del aceite que requiere una gran energía, sea tomada del propio arco, enfriándolo y provocando su extinción. Se pueden utilizar recipientes que contengan gran volumen de aceite o por el contrario utilizar un pequeño volumen de aceite como cámara de extinción. La diferencia entre unos y otros es que los primeros utilizan el aceite como aislante, en cuyo interior se produce la separación de los conductores en una gran cuba de aceite, mientras que los de reducido volumen de aceite se limitan a tener por cada polo del interruptor, una cámara de aceite de dimensiones reducidas en las que se encuentra el aceite. La figura 20.3 representa el esquema de un disyuntor en gran volumen de aceite, en donde los contactos móviles c'  cierran el circuito al juntarse con los fijos c, todo ello en una cuba de aceite de suficientes dimensiones.

Figura 20.3 Figura 20.4 Pértiga. Escuela de Profesiones Técnicas. Santiago de Compostela. Tel: 981 553 622

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El disyuntor de pequeño volumen de aceite tiene su representación en la figura 20.4, que es un corte esquemático de la cámara de ruptura para una de las fases, en el momento de la apertura. Cuando se desconectan el contacto fijo (1) del móvil (2), éste impulsa el aceite de la cámara inferior (4) a la superior (3), extinguiendo el arco (5) que se había producido entre los contactos. Se utilizan en media tensión interruptores con cámara de ruptura rellena de exafluoruro de azufre, gas con una gran capacidad de aislamiento, que permite extinguir fácilmente el arco. 20.2. Seccionador es: ti pos, característic as y mandos Son aparatos de maniobra que abren un circuito eléctrico en todas sus vías de corriente realizando la maniobra en vacío (no circula corriente por el circuito que abre) o cuando la tensión entre el contacto fijo y el móvil en cada polo es muy baja durante la maniobra. En su posición de "abierto" queda establecida entre sus contactos fijos y móviles una distancia grande que garantiza la seguridad de la desconexión. Deben tener una indicación fiable y segura de su posición de maniobra permitiendo el bloqueo de su posición "abierto". Se utilizan para separar de la red instalaciones o partes de ellas y poder realizar  con total seguridad tareas de reparación y mantenimiento. Las posiciones de los polos deben de visualizarse, para que el operador pueda cerciorarse sin lugar a dudas de que la instalación está conectada o desconectada. Al elegir un seccionador ha de tenerse en cuenta que ha de conducir la corriente de intensidad nominal y las corrientes de cortocircuito que puedan establecerse en el lugar  de montaje. El seccionador de puesta a tierra sirve para poner a tierra y cortocircuitar, con corriente casi nula, partes de la instalación y medios de servicio desconectados. El hecho de que el seccionador abra el circuito en vacío, es decir cuando no pasa corriente, hace que no se produzcan los inconvenientes del arco de ruptura y por  tanto su construcción es mucho más sencilla y económica que la de un interruptor. Para el funcionamiento de un seccionador es preciso cortar la corriente mediante un interruptor.  Así en la figura 20.5, S es un seccionador tripolar, que va instalado antes de un disyuntor D. Para abrir el seccionador S es necesario previamente haber abierto el disyuntor D. Con ello los bornes a del disyuntor quedan sin tensión. La diferencia de los seccionadores para baja y alta tensión, es sobre todo las distintas capacidades de aislamiento que precisan en función de la tensión y los mecanismos de apertura. En alta tensión, la apertura del seccionador se realiza mediante pértigas o mecanismos automáticos. Figura 20.5 Pértiga. Escuela de Profesiones Técnicas. Santiago de Compostela. Tel: 981 553 622

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20.3. Fusibles cortacircuitos: tipología y características Ya se ha indicado que los disyuntores son aparatos interruptores que abren el circuito no sólo en circunstancias de funcionamiento normal, sino también cuando se produce una sobreintensidad, protegiendo a la instalación de los perniciosos efectos que su permanencia ocasionaría. También se ha dicho que una sobreintensidad puede ser motivada por causas diferentes, como puede ser una sobrecarga permanente que provocaría calentamientos inadecuados, utilizándose entonces dispositivos térmicos para la desconexión del disyuntor que actúan sólo si la sobreintensidad se prolonga durante un tiempo, pero que no lo hacen si esta sobrecarga es transitoria (por ejemplo, el arranque de un motor trifásico). Una sobreintensidad distinta sería la provocada por  un cortocircuito, cuyos efectos, más que térmicos, son electrodinámicos, con la aparición de esfuerzos que podrían destruir los aparatos. Para este tipo de sobrecargas el disyuntor debe abrir rápidamente para lo que se emplean dispositivos electromagnéticos de apertura. Para el caso de sobrecargas por cortocircuitos se emplean también los llamados cortacircuitos fusibles. El cortacircuitos fusible o simplemente fusible está constituido por un metal o aleación de bajo punto de fusión, en el interior de un elemento aislante, cuyo conjunto forma un cartucho fusible. Los materiales de fusión empleados pueden ser el plomo, estaño, zinc para baja tensión y fundamentalmente plata, para los fusibles de alto poder  de ruptura para alta tensión. El cortacircuito fusible está caracterizado por la curva del tiempo de fusión en función de la intensidad (figura 20.6). If  es el valor de la intensidad límite de fusión lenta. Es decir, aquélla por debajo de la cual el tiempo de fusión es infinito.

Figura 20.6

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La intensidad que pase de forma permanente no debe ser esta intensidad límite que calentaría los elementos del cortacircuitos fusible, sino una inferior, denominada intensidad nominal del fusible l n, que normalmente es del orden de la mitad de If . Se denomina como poder de ruptura de un cortacircuitos fusible, el valor más elevado de la corriente de cortocircuito que puede cortar bajo una tensión dada. El fusible sin embargo corta el circuito antes de alcanzarse el valor máximo de la corriente de cortocircuito. Se utiliza en líneas aéreas de media tensión el fusible expulsión-seccionador, que al fundirse, la base portafusible se desengancha de la conexión superior, girando sobre la conexión inferior y dejando un corte visible en la línea.

20.4. Puestas a tierra. Sistemas y partes Las tomas de tierra, tienen por finalidad, la descarga a tierra de los rayos que caen sobre la línea. Se utilizan para postes de acero y de hormigón. Se componen de conductor de unión y pica enterrada. En los apoyos metálicos, el rayo descarga a tierra a través del mismo apoyo puesto a tierra. En los apoyos de hormigón armado la descarga se produce a través de la propia armadura unida a tierra. Otros elementos cuya instalación no se considera imprescindible en todos los casos, son los siguientes: hilos de guarda, empalmes, dispositivos antivibratorios, contrapesos, separadores, etc. 20.5. Relés: t ipos y característi cas Son aparatos muy sensibles a determinadas magnitudes eléctricas, como la corriente, tensión, impedancia, etc., que en ocasiones de perturbación o avería intervienen, provocando el funcionamiento del aparato de maniobra o de protección. El automatismo de estos últimos es, pues, asegurado por un relé. Es dificilísimo hacer una clasificación de los variadísimos tipos de relés que existen en el comercio. Según el principio de funcionamiento: electrodinámicos, electromagnéticos, a inducción, diferencial, a desequilibrio, térmicos. O también en base a la magnitud medida: amperimétricos, voltimétricos, vatimétricos. Finalmente, considerando el tiempo necesario para actuar: relé instantáneo, a tiempo dependiente, a acción diferida. Otras veces se distinguen en relés directos (si están insertados directamente en el circuito que protegen), o indirectos o secundarios (que son alimentados por transformadores de intensidad o de tensión). La misma denominación puede también significar que el relé directo actúa directamente por medio de palanca sobre el dispositivo de disparo del interruptor, mientras que el relé indirecto utiliza la energía eléctrica de un manantial auxiliar. 20.6. Reenganche rápido automátic o. Reenganchador  Esta operación consiste en reenganchar un interruptor inmediatamente después de haber interrumpido el cortocircuito que se supone debido a un defecto pasajero de la instalación; la apertura en las dos extremidades del tramo defectuoso y el Pértiga. Escuela de Profesiones Técnicas. Santiago de Compostela. Tel: 981 553 622

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consiguiente reenganche pueden ser realizados sobre una sola fase o también sobre las tres. El primer caso (empleado en las líneas de altísimas tensiones) requiere la presencia de un relé selectivo que actúa no sobre todo el interruptor, sino solamente sobre uno de los polos; como es natural esto se realiza cuando solamente ha sido afectada una sola fase. Este tipo de protección se ha adoptado recientemente porque se ha comprobado que el 80 % de los incidentes en las instalaciones son debidos a una «tierra» monofásica y, de éstos el 90 % son pasajeros. En caso de interrupción de una sola fase la red puede continuar funcionando sin perder el sincronismo durante un tiempo más largo que si la interrupción proviniese de las tres fases. El intervalo de tiempo entre la apertura y el cierre del interruptor debe ser tal que permita la desionización de la zona en que se desarrolla el arco. Teniendo en cuenta que éste puede ser provocado por contactos accidentales, por nieblas, por rocío de la mañana sobre los aisladores o por impactos de rayos y que puede durar más o menos, en función del viento, de las condiciones atmosféricas, etc., se establece en general que el circuito podrá cerrarse en sus dos extremidades después de 0,2-0,3 segundos, aproximadamente. Los interruptores por aire comprimido pueden ser adaptados fácilmente para efectuar el reenganche rápido. Basta entonces que el depósito de aire comprimido esté dimensionado con capacidad suficiente para dos maniobras sucesivas. El aire que ha barrido el primer arco sale de la cámara de ruptura; cuando el defecto persiste y en el momento del reenganche, nuevo fluido fresco interviene para repetir la operación. No es tan fácil adaptar los interruptores de grande o reducido volumen de aceite para la operación de reenganche rápido, porque la velocidad de maniobra puede ser  insuficiente y además porque el aceite que ha «trabajado» en la primera interrupción puede no tener las condiciones de frescura, temperatura, etc., para soportar un segundo cortocircuito con separación de tiempo en menos de medio segundo. 20.7. Protección contra sobretensiones. Autoválvulas y explosores Las sobretensiones que se produce en una instalación eléctrica pueden ser de dos clases: unas de origen interno, que aparecen al variar las condiciones de servicio de la instalación, como pueden ser los fenómenos transitorios en las operaciones de maniobra, y las que tienen un origen externo, debidas sobre todo a fenómenos atmosféricos, tales como el rayo. Las que tienen una mayor incidencia sobre, una instalación son las de origen externo, que son fundamentalmente: a) Inducción electrostática b) Descargas directas (rayos) c) inducción por descargas indirectas De ellas a su vez la que tiene mayor importancia es la descarga directa del rayo. En síntesis el rayo se produce cuando se crea una gran diferencia de potencial entre una nube y tierra o entre dos nubes, que formarían un condensador con gradiente de potencial del orden de 500 kV/m, capaz de romper la rigidez dieléctrica del aire y haciendo que se produzca la descarga. La onda de tensión que produce esta descarga es escarpada, según se representa en la figura 20.7. Datos característicos del rayo son: Pértiga. Escuela de Profesiones Técnicas. Santiago de Compostela. Tel: 981 553 622

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Tensión de las nubes de 100 a 1. 000 MV. Campo eléctrico para la formación del rayo: 500 kV/m. Intensidad de la corriente de 10 a 50 kA. Duración del frente de 1 a 10 microsegundos. Duración de la cresta media de 10 a 50 microsegundos. Cuando un rayo cae sobre los conductores de una línea, la onda de tensión se propaga por la misma provocando la ruptura del poder dieléctrico de los aisladores y deteriorando las instalaciones. Por ello la protección contra las sobretensiones tendrá por objeto preservar a los elementos de la instalación de los efectos de este aumento de tensión por encima del que pueden resistir. Los dispositivos de protección más importantes son:

Figura 20.7

- Cables a t ierra  Al estudiar las líneas aéreas, se utiliza el cable de tierra para proteger a los conductores de las líneas aéreas situadas dentro de su campo de acción, contra los efectos directos de las descargas atmosféricas. Los conductores quedan protegidos por  la elemental jaula de Faraday que produce el cable de tierra. Este cable es el encargado de llevar a tierra la descarga recibida por medio de una baja resistencia de la toma de tierra. - Pararrayos de antena El pararrayos más elemental es el denominado de antena, que está constituido por dos antenas conductoras cuya separación es creciente. Pértiga. Escuela de Profesiones Técnicas. Santiago de Compostela. Tel: 981 553 622

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Una de las antenas se conecta a la línea y la otra a tierra a través de una resistencia. En condiciones normales ambas antenas están aisladas, pero cuando se produce una sobretensión que se propaga por la línea, al llegar al pararrayos de antena, rompe la rigidez dieléctrica, saltando el arco de descarga, entre los puntos de mínima separación, y el arco al calentar el aire tiende a subir hacia las zonas de mayor  separación, extinguiéndose. La corriente pasa a tierra a través de la resistencia conectada a una de las antenas. Este tipo de pararrayos, se emplean cada vez menos, porque la elementalidad de su funcionamiento los hace, con frecuencia, de eficacia insuficiente.

Figura 20.8

- Pararrayos auto valvulares Son los casi exclusivamente utilizados en la actualidad. Un descargador autovalvular o simplemente autoválvula, está constituido por un explosor de cebado y extinción (1), formado por dos electrodos con una separación que determina la tensión de descarga, una resistencia variable (2) que disminuye con el paso de la corriente y una cubierta protectora de porcelana (3) (figura 20.9). Cuando se produce una sobretensión en la línea, se produce el arco de descarga en el explosor y pasa a tierra a través de la resistencia variable 2. En condiciones normales la línea está aislada de tierra por la separación entre los electrodos del explosor. El pararrayos autovalvular se pone inmediatamente antes del elemento a proteger. Así la figura 20.10 representa un pararrayos situado a la entrada de un transformador, que se quiere proteger de la sobretensión que se produce en la línea a él conectada, si se presenta la acción de un r ayo. La tensión nominal de la línea es Un , la sobretensión producida por el rayo la Us , Ur   es la tensión residual que quedaría después de la acción del pararrayos autovalvular, tensión que ya es capaz de soportar los aislamientos del transformador. Pértiga. Escuela de Profesiones Técnicas. Santiago de Compostela. Tel: 981 553 622

Figura 20.9 8

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20.8. Criterios para la elección de elementos. Selección del aparellaje de maniobra y protección Los aparatos se definen por las siguientes características: - Tensión nominal (inferior y superior) - Intensidad nominal - Capacidad nominal de ruptura. Si los interruptores de potencia, para una determinada capacidad de ruptura nominal, se utilizan a una tensión menor que la nominal mínima, disminuye proporcionalmente la capacidad de ruptura. En los catálogos de aparatos de maniobra, los fabricantes dan la capacidad nominal de ruptura para diferentes tensiones normalizadas y a un cos N dado.

Para la elección del aparellaje se tendrán en cuenta los siguientes criterios: - La intensidad de calibre de los aparatos ha de ser superior o igual a la intensidad nominal, determinada para cada circuito.

Figura 20.10

- Los interruptores que maniobran circuitos de alumbrado, con lámparas de descarga, serán elegidos con un calibre doble de la intensidad nominal del circuito. - La capacidad nominal de ruptura de los interruptores automáticos, previstos para proteger los distintos circuitos, debe ser superior a la intensidad de cortocircuito calculada en el punto de instalación de los interruptores.

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