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CORPORACIÓN “CENACE”

CURSO DE POSGRADO: “OPERACIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA” MODULO VI PROTECCIÓN DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA Y AUTOMATISMOS

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN JUAN INSTITUTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA

Quito, Ecuador, julio del 2001.

Fundación Universidad Nacional de San Juan - Instituto de Energía Eléctrica PROTECCION DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA

TEMA 4 PROTECCIÓN POR FUSIBLES, RECONECTADORES Y SECCIONALIZADORES Una amplia variedad de equipamiento es utilizada para proteger redes de distribución. El tipo particular de protección depende de los elementos del sistema ser protegidos y del nivel de tensión, y, aunque no hay normas específicas para todas las protecciones de redes de distribución, se pueden dar algunas indicaciones de cómo trabajan tales sistemas. 4.1 Equipamiento Los dispositivos más utilizados en la protección de redes de distribución son: • • • •

Relés de sobrecorriente Reconectadores Seccionalizadores Fusibles

La coordinación de relés de sobrecorriente fue tratada con detalle en el capítulo 3, y en este capítulo se verá los aspectos referidos a los restantes dispositivos mencionados. 4.1.1 Reconectadores Un reconectador es un dispositivo con la capacidad de detectar condiciones de sobrecorriente de fase y fase-tierra, para interrumpir el circuito si tal sobrecorriente persiste luego de un tiempo predeterminado, y luego reconectar la línea en forma automática para reenergizarla. Si la falla, que originó la operación, persiste, luego el reconectador permanecerá abierto posteriormente a un número especificado de operaciones, aislando luego la sección fallada del resto del sistema. En un sistema de distribución aéreo, entre el 80% al 95% de las fallas son temporarias, al menos por algunos ciclos o segundos. Por lo tanto el reconectador, con su característica de apertura/recierre, previene al circuito de ser desconectado definitivamente antes fallas temporarias. Normalmente los reconectadores se diseñan para realizar hasta tres operaciones de apertura y recierre y, luego de eso, la operación final para terminar la secuencia. Se permite usualmente una operación de cierre adicional por medios manuales. Los mecanismos de conteo registran las operaciones de las unidades de fase y de tierra, los cuales pueden ser inicializadas también por dispositivos controlados externamente cuando se dispone de medios de comunicación apropiados. Las curvas características de operación tiempo-corriente de los reconectadores son normalmente tres: una rápida y dos temporizadas, designadas como A, B y C respectivamente. La fig. 4.1 muestra un conjunto típico de curvas tiempo-corriente. Sin embargo, los nuevos reconectadores con controles basados en microprocesadores tienen curvas que pueden definirse a placer por teclado, lo cual permite seleccionar las mismas de acuerdo a las necesidades de coordinación tanto para fallas fase-fase como las de fase-tierra. Esto permite reprogramar las características sin la necesidad de cambiar componentes. Fundación Universidad Nacional de San Juan - Instituto de Energía Eléctrica PROTECCION DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA

Fig. 4.1 Curvas tiempo-corriente de reconectadores La coordinación con otros dispositivos de protección es importante para asegurar que cuando ocurre una falla se desconecte solo la mínima sección posible del circuito para minimizar la interrupción del servicio a los consumidores. Generalmente, la característica de tiempo y la secuencia de operación del reconectador se seleccionan para coordinar con los dispositivos aguas abajo. Luego de seleccionar el tamaño y la secuencia de operación del reconectador, los dispositivos aguas arriba se ajustan para obtener una coordinación correcta. Una secuencia típica de operación de un reconectador para una falla permanente se muestra en la fig. 4.2.

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Fig. 4.2 Secuencia típica de operación de un reconectador El primer disparo de apertura se lleva a cabo en forma instantánea para despejar fallas temporarias antes de que provoquen daños en las líneas. Los tre s disparos posteriores se producen con retardo temporizado con ajustes de tiempos predeterminados. Si la falla persiste, la operación con retardo permite abrir primero a otras protecciones más cerca de la falla, limitando la porción de red que se desconecta. Las fallas a tierra son menos severas que las fallas entre fase y, por lo tanto, es importante que el reconectador tenga una sensitividad apropiada para detectarlas. Un método es utilizar TI conectados en forma residual de tal forma que la corriente residual resultante en condiciones normales de operación sea aprox. igual a cero. El reconectador debe operar cuando la corriente residual resultante exceda el valor de ajuste, como ocurriría en el caso de fallas a tierra. Los reconectadores pueden clasificarse como sigue: • • •

Monofásicos y trifásicos Mecanismos con operación hidráulica o electrónica Aceite, vacío o SF6

En la fig. 4.2 se muestra el aspecto de un reconectador con control hidráulico y el control de un reconectador controlado con microprocesador, el cual se instala normalmente en forma externa.

Reconectador con control hidráulico

Control de un reconectador electrónico

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Fig. 4.2 Tipos de controles Los reconectadores monofásicos se utilizan cuando la carga es predominantemente monofásica. En tal caso, cuando ocurre una falla monofásica el reconectador debe desconectar en forma permanente la fase fallada, y así mantener el servicio en las otras fases. Los reconectadores trifásicos se utilizan cuando es necesario desconectar las tres fases con el objeto de prevenir cargas desbalanceadas en el sistema. Los reconectadores con control hidráulico tienen una bobina de desconexión en serie con la línea. Cuando la corriente excede el valor de ajuste, la bobina atrae un pistón el cual abre los contactos principales del reconectador e interrumpe el circuito. La característica de tiempo y secuencia de operación son dependientes del flujo de aceite en cámaras diferentes. El control electrónico está normalmente localizado afuera del reconectador, y recibe señales de corriente de un bushing tipo TI. Cuando la corriente excede el ajuste predeterminado, se inicia un disparo con retardo el cual resulta finalmente en una señal de disparo que se transmite al mecanismo de control del reconectador. El circuito de control determina el cierre y apertura siguiente del mecanismo, dependiendo de su ajuste. Los reconectadores con mecanismo de operación electrónico utilizan una bobina o motor para cerrar los contactos. Los reconectadores con aceite utilizan el mismo para extinguir el arco y también para actuar como aislación. El mismo aceite se puede usar en el mecanismo de control. Los reconectadores de vacío y SF6 tienen la ventaja de requerir menos mantenimiento. Los reconectadores se instalan en los siguientes puntos de la red de distribución: • • •

En subestaciones, para proveer protección primaria de circuitos En alimentadores principales, para permitir el seccionamiento a lo largo de la línea y de ese modo prevenir la pérdida de un circuito completo debido a fallas en los extremos. En ramas o derivaciones, para prevenir la apertura del circuito principal debido a fallas en las mismas.

Cuando se instalan reconectadores es necesario tener en cuenta los siguientes factores: 1. 2. 3. 4. 5.

tensión del sistema niveles de cortocircuito corriente máxima de carga corriente mínima de cortocircuito en la zona protegida por el reconectador coordinación con otros dispositivos de protección localizados hacia la fuente y hacia la carga 6. sensitividad de operación para fallas a tierra La tensión nominal y la capacidad de cortocircuito del reconectador deben ser igual o mayor que los valores existentes en el punto de instalación. Los mismos criterios deben aplicarse en cuanto a la capacidad de corriente de los reconectadores respecto a la corriente de carga máxima a ser transportada por el circuito. Es necesario también asegurar que la corriente de falla al final de la línea protegida sea lo suficientemente alta para provocar la operación del reconectador. 4.1.2 Seccionalizadores Fundación Universidad Nacional de San Juan - Instituto de Energía Eléctrica PROTECCION DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA

Un seccionalizador es un dispositivo el cual automáticamente aísla las secciones falladas de un circuito de distribución, una vez que un reconectador o interruptor han interrumpido la corriente de falla y se instala comúnmente aguas debajo de un reconectador. Dado que los seccionalizadores no tienen la capacidad de interrumpir corrientes de falla, luego deben ser utilizados con dispositivos back-up que tenga esa capacidad. El seccionalizador cuenta el número de operaciones del reconectador durante las condiciones de falla. Luego del número predefinido de aperturas del reconectador, y mientras el mismo está abierto, el seccionalizador abre y separa la sección falladas de la línea. Esto permite al reconectador cerrar y reestablecer el suministro en aquellas áreas libres de falla. Si la falla es temporaria, se resetea el mecanismo de operación. En la fig. 4.3 se muestra el aspecto de un seccionalizador. Al igual que los reconectadores, los seccionalizadores se construyen monofásicos y trifásicos con mecanismos de control hidráulico o microprocesado. Un seccionalizador no tiene una característica de operación tiempo-corriente, y puede utilizarse entre dos dispositivos de protección con curvas de operación que estén muy cercanas y donde no es posible un salto adicional entre curvas para coordinar.

Fig. 4.3 Aspecto típico de un seccionalizador Los seccionalizadores con control hidráulico poseen una bobina en serie con la línea. Cada vez se produce una sobrecorriente, la bobina mueve un pistón que activa un mecanismo de conteo cuando el circuito está abierto y la corriente es cero. Luego de un número predeterminado de aperturas del circuito, los contactos del seccionalizador se abren por medio de resortes pre-tensionados. Este tipo de seccionalizador puede ser cerrado en forma manual. Los seccionalizadores con control electrónico son más flexibles en su operación y más fáciles de ajustar. La corriente de carga se mide por medio de TI y la corriente secundaria alimenta a un circuito de control que cuenta el número de operaciones del reconectador asociado y luego envía una señal de disparo al mecanismo de apertura. Este tipo de seccionalizador se construye con cierre manual o con motor. Para seleccionar un seccionalizador deben considerarse los siguientes aspectos: •

Tensión del sistema Fundación Universidad Nacional de San Juan - Instituto de Energía Eléctrica PROTECCION DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA

• • •

Corriente de carga máxima Nivel máximo de cortocircuito Coordinación con otros dispositivos instalados aguas arriba y abajo

La tensión y corriente nominal del seccionalizador deben ser iguales o mayores que los valores máximos de tensión o carga en el punto de instalación. La capacidad de cortocircuito de un seccionalizador debe ser igual o mayor que los niveles de falla en el punto de instalación. El máximo tiempo de despeje del interruptor asociado no debe exceder la capacidad nominal de cortocircuito del seccionalizador. Los factores de coordinación que se deben tener en cuenta incluyen el ajuste de la corriente de arranque y el número de operaciones del interruptor asociado antes de la apertura. 4.1.3 Fusibles Los fusibles son los dispositivos de sobrecorriente más baratos y simples que se utilizan en la protección de redes de distribución. Al mismo tiempo son uno de los más confiables, dado que pueden brindar protección un tiempo muy prolongado (por arriba de 20 años) sin estar sujeto a tareas de mantenimiento. Un fusible seleccionado en forma adecuada debe abrir el circuito por destrucción del elemento fusible, eliminando el arco establecido durante la destrucción y luego mantener las condiciones del circuito abierto con tensión nominal aplicada en sus terminales, es decir que no haya arco a lo largo del elemento fusible. A pesar de que el fusible es simple en apariencia su función es compleja. Para que actúa en forma adecuada debe: • • •

Censar las condiciones tratando de proteger Interrumpir la corriente rápidam ente Coordinar con otros dispositivos de protección

Un elemento fusible (denominado también“link”) para redes de distribución sirve como “vínculo débil” en dispositivos de protección de tipo de expulsión, de los cuales el más común y utilizado es el “cuto ut”. Esto es, el link es el componente reemplazado luego de ejercida la protección deseada. Este consiste en tres partes básicas (fig. 4.4): • • •

Botón Elemento fusible Guía

Fig. 4.4 Partes del fusible

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Como se mencionó anteriormente los fusibles expulsión deben utilizarse conjuntamente con otro dispositivo para operar apropiadamente. El más típico es el cutout, disponible en eslabón abierto (open link), abierto (open) y diseño cerrado (fig. 4.5):

Fig. 4.5 Tipos de fusibles de expulsión El largo y el diámetro del elemento son determinantes de las características del fusible. Mientras más largo el fusible más rápido operará para bajos niveles de corriente de cortocircuito. Para niveles altos de corrientes de cortocircuito, la elevación de temperatura es muy rápida y el calor no puede ser disipado desde el centro del elemento fusible. Como consecuencia, el tiempo de fusión en el rango de altas corrientes de falla no depende fuertemente del largo del elemento sino del diámetro. El fusible de expulsión, como su nombre lo implica, expulsa gases durante su operación. Un fusible de expulsión típico utiliza una sección de elemento fusible relativamente corta para censar la sobrecorriente e iniciar el arco requerido para la interrupción. Anexado a este elemento fusible corto hay un elemento conductor de mayor sección, denominado guía del fusible, el cual conecta al fusible al resto del equipamiento como sea requerido. Durante la presencia de una falla, el elemento fusible se fundirá causando un arco dentro del cartucho del fusible. Cuando se produce el arco, se desprenden rápidamente gases desde sustancias especiales (usualmente fibras) localizadas muy cercanamente al elemento fusible. La función primaria de los gases desprendidos es desionizar y apagar el arco generado por los gases ionizados y permitir la formación de un medio dieléctrico que pueda atenuar la tensión de reestablecimiento. Una de las principales ventajas de estos dispositivos es que pueden ser recargados con un link fusible relativamente económico. Existe una amplia variedad de tipos y tamaños de links fusibles que podrían utilizarse en el mismo compartimiento del fusible. La diferencia entre fusibles está determinada por la relación de velocidad, la cual se define como la relación entre las corrientes de fusión para 0.1 s y 300 s en fusibles hasta 100 A y 01. s y 600 s en fusibles por arriba de 100 A. Por ejemplo, un fusible T de 6 A Fundación Universidad Nacional de San Juan - Instituto de Energía Eléctrica PROTECCION DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA

tiene una corriente de fusión de 130 A para 0.1 s y 12 A para 300 s lo que resulta en una relación de velocidad de 10.8. Los fusibles lentos tienen una relación de velocidad entre 10.0 y 13.0. Los fusibles rápidos tienen una relación de velocidad entre 6.0 y 8.1. A continuación se listan los tipos de link fusibles que existen hoy en día en el mercado según normas AYEE, ANSI C.37.40,41,42,46,47 y 48, IRAM 2400, NIME y NEMA: -

K: Conducen hasta 150% de su In sin daños (relación de velocidades 6 a 8) T : Más lentos que los K (relación de velocidad 10 a 13) Std : Intermedia entre los K y T; son permisivos a las fluctuacio nes de corriente (relación de velocidad 7 a 11) H: Conducen hasta el 100% de su In sin daño; tienen característica de fusión muy rápida (relación de velocidad 7 a 11). N: Conducen hasta el 100% de su In sin daños. Son más rápidos aún que los H. X: Provistos de un elemento dual; son permisivos a las fluctuaciones de la corriente (relación de velocidad 32) Sft: Provisto de elemento dual; no actúan ante fallas temporarias en trafos. MS o KS: Respuesta ultralenta y mayor permisividad de corriente que los T; bueno como protección de línea (relación de velocidad 20) MN241 AYEE: Conducen hasta el 130% de su In sin daños; poseen un resorte extractor necesario en los seccionadores MN241 AYEE

La diferencia de velocidades de fusión se muestra en la fig. 4.6:

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Fig. 4.6 Diferentes tipos de fusibles Para satisfacer requerimientos especiales tales como la protección primaria de trafos de distribución, se han desarrollado fusibles por debajo de 10 A. Fusibles de 1, 2, 3, 5 y 8 A están dentro de esta categoría. Estos fueron diseñados específicamente para proveer protección contra sobrecargas y evitar operaciones innecesarias durante corrientes transitorias de corta duración asociadas con el arranque de motores y descargas. Para la selección de un fusible se debe conocer: 1. Tensión y nivel de aislación 2. Tipo de sistema 3. Máximo nivel de cortocircuito 4. Corriente de carga Selección de la corriente nominal La corriente nominal del fusible debe ser mayor que la máxima corriente de carga. Debe permitirse un porcentaje de sobrecarga de acuerdo a las condiciones del equipo protegido. En el caso e transformadores de potencia, los fusibles deben ser seleccionados de tal forma que su característica tiempo-corriente este por arriba de la curva de energización (inrush) y por debajo de su límite térmico. Algunos fabricantes confeccionan Fundación Universidad Nacional de San Juan - Instituto de Energía Eléctrica PROTECCION DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA

tablas para la asistencia en la apropiada selección del fusible para diferentes valores nominales y disposiciones. Selección de la tensión nominal La tensión nominal del fusible se determina a partir de las siguientes características: 1. tensión máxima de fase o de línea 2. tipo de puesta a tierra 3. número de fases (tres o una) Las características del sistema determinan la tensión vista por el fusible en el momento en que interrumpe la falla. Tal tens ión debe ser igual o menor que la tensión nominal del fusible. Por lo tanto, debe aplicarse los siguientes criterios: 1. en sistemas aislados, la tensión nominal debe ser igual o mayor que la tensión máxima de línea 2. en sistemas trifásicos puestos a tierra, p ara cargas monofásicas, la tensión nominal debe ser igual o mayor que la máxima tensión de fase y para cargas trifásicas la tensión nominal es seleccionada en base a la tensión de línea. Selección de la capacidad de cortocircuito La capacidad de cortocircuito del fusible debe ser igual o mayor que la corriente de falla trifásica calculada en el punto de instalación del fusible. 4.2 Coordinación entre dispositivos de protección En la coordinación de las características tiempo-corriente de los distintos tipos de dispositivos de protección, deben emplearse los siguientes criterios básicos: 1. La protección principal debe despejar una falla permanente o temporaria antes de que opere la protección back-up, o continuar operando hasta que el circuito sea desconectado. Sin embargo, se verá luego el caso especial de coordinación entre un reconectador y un fusible. 2. La pérdida de suministro causada por una falla permanente debería restringirse a la menor parte posible del sistema por el tiempo más corto posible. 4.2.1 Coordinación fusible-fusible El mecanismo inicial de operación de un fusible es la fusión del elemento. Este mecanismo depende de los tres siguientes factores: • • •

Magnitud de la corriente Duración de la corriente Propiedades eléctricas del elemento

La característica del fusible es definida en realidad por dos curvas: la de mínimo tiempo de fusión y la de tiempo total de despeje (fig. 4.7):

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Fig. 4.7 Curvas de tiempo mínimo y máximo de fusión La curva de mínimo tiempo de fusión se elabora mediante tests eléctricos. La magnitud de la corriente y el tiempo que toma para fundir son registrados y plotteados. Luego se traza una curva ajustada a los puntos obtenidos representando una curva promedio de fusión. Luego se substrae el 10% a los tiempos, y la curva obtenida así se denomina “ de tiempo mínimo”. Sin embargo, el fusible tiene un tiempo de formación del arco asociado con el. Este tiempo es el que toma el fusible para interrumpir el circuito luego de que el fusible funda y se obtiene así mismo por test. Los tiempos de arco, los cuales se registran para diferentes magnitudes de corriente, se suman al “máximo tiempo de fusión” (110% del tiempo promedio de fusión). La curva resultante se denomina “ de tiempo total de despeje”. Estas dos curvas son los extremos de las características del fusible y son las curvas publicadas por los fabricantes. La coordinación de dos fusibles (uno de lado fuente y otro de lado de carga) se lleva a cabo comparando las curvas respectivas. Para una falla delante del fusible (1) del lado carga hay que asegurar que este funda primero que el fusible (2) del lado fuente. Para ello, es práctica común tomar las condiciones más desfavorables; es decir, tomar la curva de mínimo tiempo de fusión para (2) y la de tiempo total de despeje para (1) (fig. 4.8). Para todas las corrientes de falla la curva de (2) debe quedar por arriba de la de (1). Un criterio ampliamente utilizado establece que el tiempo total de despeje del principal no debe exceder el 75% del tiempo mínimo del fusible back-up. Este factor compensa lso efectos tales como corriente de carga, temperatura ambiente, o fatiga del elemento fusible causada por el efecto de calentamiento de corrientes de falla que han pasado por el fusible pero no han sido lo suficientemente elevadas para fundirlo

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Fusible 2 Fusible 1

Fig. 4.8 Criterio de coordinación de fusibles t1