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TECNOLOGICO SUPERIOR DE LA SIERRA NORTE

UNIDAD TRES 3.1

Introducción

a los dispositivos de protección.

3.1.1 Dispositivos de protección.

3.1.2Comparación entre

fusibles

e interruptores termo-magnéticos.

3.2 Cálculo de la corriente de cortocircuito en baja tensión en los puntos críticos de la instalación.

3.2.1 Selección de su capacidad interruptiva.

dispositivos

3.2.2Coordinación de protecciones.

de protección de en base a

3.1 Introducción

a

los

dispositivos

de protección.

Los Sistemas de Protección se utilizan en los sistemas eléctricos de potencia para evitar la destrucción de equipos o instalaciones por causa de una falla que podría iniciarse de manera simple y después extenderse sin control en forma encadenada. Los sistemas de protección deben aislar la parte donde se ha producido la falla buscando perturbar lo menos posible la red, limitar el daño al equipo fallado, minimizar la posibilidad de un incendio, minimizar el peligro para las personas, minimizar el riesgo de daños de equipos eléctricos adyacentes. La función principal de un sistema de protección es fundamentalmente la de causar la pronta remoción del servicio cuando algún elemento del sistema de potencia sufre un cortocircuito, o cuando opera de manera anormal. Existe además una función secundaria la cual consiste en proveer indicación de la localización y tipo de falla. Objetivos de las protecciones Los objetivos generales de un sistema de protección se resumen así: • Proteger efectivamente a las personas y los equipos. • Reducir la influencia de las fallas sobre las líneas y los equipos. • Cubrir de manera ininterrumpida el Sistema de Potencia (SP), estableciendo vigilancia el 100% del tiempo. • Detectar condiciones de falla monitoreando continuamente las variables del SP Elementos de un equipo de protección Un equipo de protección no es solamente la protección o relé, propiamente dicho, sino que incluye a todos aquellos componentes que permiten detectar, analizar y despejar la falla. Los principales elementos que componen un equipo de protección son: • Batería de alimentación. • Transformadores de medida para protección. • Relé de protección. • Interruptor automático. Transformadores de medida para protección Los datos de entrada a la protección, o relé, deben reflejar el estado en que se encuentra el SEP. Aunque existen excepciones, los datos que se utilizan habitualmente son los correspondientes a las magnitudes de tensión e intensidad. Lógicamente, debido a su elevado valor, las tensiones e intensidades existentes en la red no pueden ser utilizadas directamente como señales de entrada al relé, por lo que deben emplearse elementos que las reduzcan a un nivel adecuado. Estos elementos son los transformadores de medida para protección. Los transformadores de medida reproducen a escala reducida en su secundario la magnitud de elevado valor que alimenta su primario. Para que la información llegue correctamente a la protección es necesario que, además, las conexiones secundarias se realicen respetando los sentidos marcados por los terminales correspondientes de primario y secundario, máxime si se tiene en cuenta que algunos tipos de protecciones son sensibles a la polaridad de la señal que les llega. El dato proporcionado por los transformadores de medida está afectado por un determinado error. La clase de precisión es un dato característico de cada transformador de medida que hace referencia al máximo error que puede incorporar la información proporcionada por el transformador cuando funciona dentro de las condiciones para las que se diseña. Cuanto menor sea el valor de la clase de precisión, menor será el error máximo y mayor será la exactitud de los datos obtenidos mediante el transformador. Los transformadores de medida convencionales proporcionan información fiable cuando trabajan en el rango de valores correspondientes a la operación normal del sistema. Sin embargo, es en

condiciones de falla cuando es más necesario que las protecciones reciban datos fiables. Por esta razón, los datos de la red deben ser suministrados a las protecciones mediante transformadores de medida para protección, que son proyectados y construidos para garantizar precisión en las condiciones extremas que se producen cuando ocurre una falla. En función de la magnitud que transforman, los transformadores de medida para protección pueden ser: • Transformadores de tensión. • Transformadores de intensidad. Los transformadores de tensión tienen el mismo principio de funcionamiento que los transformadores de potencia. Habitualmente, su tensión nominal secundaria es de 110 V en los países europeos y de 120 V en América. Pueden ser del tipo fase-fase, utilizados solamente para tensiones inferiores a 72.5 kV, o del tipo fase-tierra. En los sistemas de transmisión es muy común la utilización de transformadores de tensión capacitivos que, básicamente, consisten en un divisor capacitivo que sirve para reducir la tensión aplicada al primario de un transformador de tensión inductivo convencional. En función de la tensión que se quiera medir, los transformadores de tensión pueden ser conectados según diversos esquemas de conexión. Los transformadores de intensidad se conectan en serie con el conductor por el que circula la corriente que quiere ser medida. Su intensidad nominal secundaria es usualmente de 5 A, aunque también suele ser utilizada la de 1 A. El mayor peligro para su precisión es que las grandes corrientes que se producen como consecuencia de una falla provoquen su entrada en saturación. Es muy habitual que los transformadores de intensidad dispongan de varios secundarios con diferentes características, ya que cada secundario tiene su propio núcleo y es independiente de los otros. Un transformador de intensidad que disponga, por ejemplo, de dos secundarios es normal que tenga uno destinado a medida y otro a protección. En función de la intensidad que se quiera medir, los transformadores de intensidad se conectan según diversos esquemas de conexión.

3.1.1 Dispositivos de protección. Parte importante de una instalación eléctrica en una vivienda son los dispositivos de protección como los interruptores termomagnético (o fusibles) y los interruptores diferenciales (interruptor de circuito por falla a tierra), cuya función es la protección de personas, materiales y equipos. El interruptor termomagnético protege a la instalación contra sobrecargas y cortocircuitos; en tanto, los interruptores diferenciales contra las corrientes de fuga a tierra. Interruptor termomagnético Son dispositivos de protección del tipo térmico y magnético, es decir, protegen al sistema contra sobrecarga y cortocircuito, respectivamente. Las funciones principales de estos interruptores son: conexión, protección, seccionamiento y control. Interruptor diferencial Dispositivo eléctrico que tiene como función es desconectar la instalación eléctrica de forma rápida cuando exista una fuga a tierra, con lo que la instalación se desconectará antes que alguien toque el aparato averiado. En el caso que una persona toque una parte activa, el interruptor diferencial desconectará la instalación en un tiempo lo suficientemente corto como para no provocar daños graves a la persona.

En el mismo interruptor diferencial observará que hay un pulsador de prueba, que simula un defecto en la instalación y, por lo tanto, al ser pulsado, la instalación deberá desconectarse. Es recomendable probar el pulsador periódicamente para cerciorarse de que funciona correctamente. La instalación del interruptor diferencial no sustituye alguna de las otras medidas que se deben tomar para evitar contactos directos o indirectos. El interruptor termomagnético protege al conductor de la instalación de sobrecarga y cortocircuito. El interruptor diferencial protege a las personas de posibles electrocuciones y protege a la instalación de daños causados por fugas de corriente.

3.1.2Comparación

entre

fusibles

e interruptores termo-magnéticos.

Fusibles. En electricidad, se denomina fusible a un dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos. Las tensiones de trabajo van desde unos pocos voltios hasta 132 kV; las corrientes nominales, desde unos pocos mA hasta 6 kA y las capacidades de ruptura alcanzan en algunos casos los 200 kA. Criterio para selección de los fusibles 1. Tensión y nivel de aislamiento 2. Tipo de sistema 3. Máximo nivel de cortocircuito 4. Corriente de carga Interruptor termomagnético. Es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos : el magnético y el térmico. El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga. Comparación Podemos darnos cuenta que los fusibles como los interruptores termomagnético trabajan para un mismo propósito. El fusible es un dispositivo simple y el mas antiguo, esta diseñado para la protección de las cargas por sus filamentos. Por otra parte un interruptor termomagnético es más complejo pero el objetivo es el mismo, su sistema es mas desarrollad.

3.2 Cálculo de la corriente de cortocircuito en baja tensión en los puntos críticos de la instalación. Dentro del dimensionamiento de protecciones, conductores o juegos de barras de una red eléctrica interior, uno de los parámetros de importancia a determinar es el nivel de la corriente de cortocircuito que se estaría presentando en distintos puntos del sistema. La corriente de cortocircuito calculada dentro del diseño de un sistema eléctrico interior, define el mínimo valor de capacidad de ruptura que deben tener los elementos involucrados en la falla de cortocircuito, para que sean capaz de soportarlos, y en el caso de las protecciones termomagnético y fusibles, también despejarlos. Un cortocircuito es la desaparición intempestiva de la aislación relativa de dos conductores de tensión diferente (alimentados de la misma fuente), sin la interposición de una impedancia conveniente. Las instalaciones eléctricas requieren siempre de la protección contra cortocircuitos dondequiera que exista esta falla. La corriente de cortocircuito se debe calcular en cada nivel de la instalación, con el propósito de determinar las características del equipo requerido para soportarla y/o eliminarla. En primer lugar recordemos los casos típicos de los tipos de cortocircuito a estudiar: Trifásico: Bifásico:

Monofásico:

Fase a Tierra :

3.2.1 Selección de dispositivo de protección de en base a su capacidad interruptiva. la hora de diseñar la instalación eléctrica, es recomendable distribuir las cargas en varios "circuitos", ya que ante eventuales fallas (operación de protecciones) se interrumpe solamente el circuito respectivo sin perjudicar la continuidad de servicio en el resto de la instalación. Por ejemplo, en una casa se recomienda instalar al menos tres circuitos, uno exclusivo para iluminación, otro para enchufes y un tercero para enchufes especiales en la cocina y lavadero. Tipos de fallas eléctricas Las fallas, según su naturaleza y gravedad se clasifican en: 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 en la instalación eléctrica. Las sobrecargas producen calentamiento excesivo en los conductores, lo que puede significar las destrucción de su aislamiento, incluso llegando a provocar incendios por inflamación. Cortocircuito: Se originan por la unión fortuita de dos líneas eléctricas sin aislación, 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. Falla de aislamiento: Estas se originan por el envejecimiento de los aislamientos, los cortes de algún conductor, uniones mal aisladas, etc. Estas fallas no siempre originan cortocircuitos, sino en muchas ocasiones se traduce en que superficies metálicas de aparatos eléctricos queden energizadas (con tensiones peligrosas), con el consiguiente peligro de shock eléctrico para los usuarios de aquellos artefactos. Apagón - pérdida total de energía para uso general: hace el equipo eléctrico parar el trabajar. Holgura del voltaje - under-voltage (a corto plazo) transitorio: causa oscilar de luces. Punto de voltaje - punto (a corto plazo) transitorio o pico del IE de la sobretensión: Las causas usan o el daños aguda al equipo electrónico. Under-voltage (brownout) - línea voltajes baja por un período de tiempo extendido: Causa que se recalienta en motores. Sobretensión - voltajes crecientes por un período de tiempo extendido: Bombillas de la causa a fallar. Línea ruido - distorsiones sobrepuestas en la forma de onda de la energía: Causa interferencia electromagnética. Distorsión armónica - múltiplos de la frecuencia de la energía sobrepuestos en la forma de onda de la energía: Causa exceso de la calefacción en el cableado y se funde. Variación de la frecuencia - desviación de la frecuencia nominal (50 o 60 hertzios): Motores de las causas para aumentar o para disminuir velocidad. Elementos de protección 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: a) Fusibles (protecciones térmicas) Estos dispositivos interrumpen un circuito eléctrico debido a que una sobre corriente quema un filamento conductor ubicado en el interior, por lo que deben ser reemplazados después de cada

actuación para poder reestablecer el circuito. Los fusibles se emplean como protección contra cortocircuitos y sobrecargas) Interruptor Termomagnético o Disyuntor 3.2.2 Coordinación de protecciones. La coordinación de sobre corriente es una aplicación sistemática de dispositivos de protección que actúan por corriente en el sistema eléctrico, que en respuesta a una falla o sobrecarga, sacará de servicio sólo una mínima cantidad de equipo. El objetivo principal será proteger al personal de los efectos de estas fallas, minimizar el daño al equipo eléctrico y reducir los costos por salidas de servicio de la carga asociada. El estudio de coordinación de protecciones de sobre corriente consiste en un estudio organizado tiempo – corriente de todos los dispositivos en serie desde la carga hasta la fuente. Este estudio es una comparación del tiempo que toma cada uno de los dispositivos individuales para operar cuando ciertos niveles de corriente normal o anormal pasa a través de los dispositivos de protección. El objetivo de un estudio de coordinación de protecciones de sobre corriente es determinar las características, valores nominales y ajustes de los dispositivos de protección que aseguren que la mínima carga no fallada se interrumpa cuando los dispositivos de protección aíslen una falla o una sobrecarga en cualquier parte del sistema eléctrico. Al mismo tiempo, los dispositivos y ajustes de protección deberán proporcionar satisfactoriamente protección contra sobrecargas e interrumpir corrientes de corto circuito tan rápidamente como sea posible. Los estudios de coordinación de protecciones son necesarios para seleccionar o verificar las características de liberación de fallas de los dispositivos de protección tales como fusibles, interruptores y relevadores usados en el esquema de protección. Los interruptores sólo deben operar cuando exista una falla y no deben operar cuando se presenten corrientes Inrush, arranques de motores, transitorios. Adicionalmente, los dispositivos de protección se deben coordinar para interrumpir a pocos clientes o cargas como sea posible. Las características que se deben considerar durante el diseño y coordinación de las protecciones que definen un diseño eficiente del esquema de protecciones de cada sistema eléctrico son: Confiabilidad, rapidez, economía, simplicidad y selectividad. Normatividad Beneficios Con estos estudios podemos obtener lo siguiente: Prevenir los daños a equipos y circuitos eléctricos. Prevenir daños al público y al personal que opera y da mantenimiento a las instalaciones. Mantener un alto grado de la confiabilidad del suministro eléctrico. Se minimizan los efectos de las fallas cuando se presentan.