06_Anormalidades en Las Instalaciones Eléctricas

APUNTES DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN TENSIÓN Prof. Claudio González Cruz

UNIDAD 1 Anormalidades en las Instalaciones Eléctricas

S E N O I

Introducción

Durante su funcionamiento, toda red eléctrica puede presentar dos estados operativos, los que dependiendo de su orientación pueden causar daños o anomalías en el ciclo de transmisión de la energía al interior de las instalaciones. Dependiendo de la magnitud y tipo de variación de la señal de alimentación, los dispositivos de protección deberán ser capaces de discriminar si esta es perjudicial o no para la instalación. En general, dentro de las redes eléctricas podemos encontrar dos estados de funcionamiento, el normal y el anormal. El primero se presenta cuando las variables características (voltaje, corriente, aislación, temperatura, etc.), se encuentran dentro de los márgenes preestablecidos, mientras que la segunda, se presenta cuando uno o más parámetros eléctricos se encuentran sobre o por debajo de los valores preestablecidos. Un sistema eléctrico desde la óptica de la fuente de suministro se considera operando en forma normal siempre y cuando las variaciones u holguras de la tensión nominal en el punto de conexión de ella con la carga (excluyendo períodos con interrupciones de suministro), se encuentre en un rango de ± 7,5% durante el 95% del tiempo para el caso de baja tensión, ± 6,0% durante el 95% del tiempo en media tensión y, para el caso de alta tensión, ± 5 % durante el 95% del tiempo en sistemas con una tensión nominal de 154 kV, y ± 6 % para los sistemas inferiores a 154 kV. Para el caso de la frecuencia, en condiciones normales de operación, el valor promedio de la señal fundamental (50 Hz), debe encontrarse sobre 49,8 Hz y bajo 50,2 Hz . El estado anormal de operación es el que debe analizarse con profundidad, debido a que afecta tanto a la propia instalación, como al usuario de esta. Las anormalidades pueden ser de dos tipos, perturbaciones o fallas, las que por sus características exigirán o no a las protecciones, interrumpir el suministro de potencia al circuito o equipo en donde se presento la anomalía.

Programa de Estudio Ingeniería en Electricidad con Mención en Potencia

1-1

C A C I N U M O C E L E T Y A C I N Ó R T C E L E , D A D I C I R T C E L E A E R Á

APUNTES DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN Prof. Claudio González Cruz

1.1.0

Perturbaciones

Las perturbaciones son anormalidades que no constituyen riesgo para las instalaciones, pero que pueden dañar a ciertos equipos si su amplitud o duración exceden de ciertos valores. Estas pueden ser

de características transitorias o de características permanentes, aun que la

clasificación dada a este fenómeno obedece fundamentalmente a la forma en como es afectada la señal que transporta la red.

1.1.1

Sobre la Amplitud de la Señal

En condición normal de operación, las redes sufren perturbaciones debidas a las variaciones de carga, pero también y sobre todo, a los fenómenos aleatorios cuyo origen puede ser accidental o bien particular, del funcionamiento propio del equipo asociado a la red.

1.1.1.1

Fluctuaciones de Voltaje

Son modificaciones en la amplitud de la señal de la alimentación, en términos de aumento o disminución, respecto del valor nominal de la tensión de la red de suministro. Se caracterizan fundamentalmente por su tiempo de existencia, clasificándolas en las de corta o larga duración. (V)

dv (+ ) dt

dv (− ) dt

v+

∆

∆

v-

(t)

t

t

Figura 1.1 – Fluctuaciones de voltaje


1-2

S E N O I C A C I N U M O C E L E T Y A C I N Ó R T C E L E , D A D I C I R T C E L E A E R Á


Las fluctuaciones de corta duración pueden ser instantáneas, momentáneas o temporales. Las primeras, tienen un tiempo “t” de desarrollo entre 0,01 y 0,6 segundos, con amplitudes comprendidas para el caso del aumento ( ∆v +), entre 107,5% y 180% de la tensión nominal, y para el caso de la disminución (∆v -), entre un 10% y 92,5% respecto al valor del voltaje. En las fluctuaciones de corta duración momentáneas, el tiempo “t” de desarrollo esta comprendido entre 0,6 y 3 segundos, con amplitudes para el caso de aumento ( ∆v +), entre 107,5% y 140%, y para el caso de disminución ( ∆v -), entre un 10% y 92,5% respecto al valor nominal de la tensión. Las fluctuaciones temporales de corta duración, tienen un tiempo “t” de desarrollo entre 3 segundos y 1 minuto, con amplitudes comprendidas para el caso del aumento ( ∆v +), entre 107,5% y 120% de la tensión nominal, y para el caso de la disminución ( ∆v -), entre un 10% y 92,5% respecto al valor del voltaje. Las fluctuaciones de larga duración pueden ser del tipo caídas o subidas de voltaje. Las primeras tienen una duración “t” mayor a 1 minuto y con magnitud ( ∆v -), entre un 80% y 92,5% de la tensión nominal. Las segundas tienen una duración típica “t” superior a 1 minuto y de magnitud comprendida (∆v +), entre 107,5% y 120%.

1.1.1.2

Interrupciones de Voltaje

Se consideran como interrupciones de voltaje, a las disminuciones de tensión de magnitud típica bajo el 10% hasta incluso el 0% del valor nominal. (V) v = <10%

∆

∆

v = 0%

(t)

t

t

Figura 1.2 – Interrupciones de voltaje


1-3



Las interrupciones de clasifican, conforme al tiempo y la magnitud, en momentáneas, temporales y sostenidas. En las momentáneas, el tiempo “t” se considera entre 0,01 y 3 segundos y un “ ∆v” mayor que cero pero inferior al 10% de la tensión nominal. Las segundas son aquellas que tienen un tiempo “t” entre 3 segundos y 1 minuto, y el mismo “ ∆v” anterior. Las terceras son todas aquellas que perduran por más de 1 minuto y poseen una magnitud nula.

1.1.1.3

Impulso de Voltaje

Es una perturbación de tensión esporádica y de valor elevado que tienen lugar entre los conductores activos de alimentación. Descartando los impulso accidentales, estos se deben sobre todo, a maniobras en la red de distribución de tensión media y a las descargas atmosféricas alejadas. Los impulsos productos de maniobras en la red de media tensión, tienen origen principalmente en la conexión de bancos de condensadores sin la debida planificación en términos del momento adecuado de mínimo riesgo. Al conectarlos, la tensión puede alcanzar un valor promedio de dos veces la tensión nominal del sistema.

Figura 1.3 – Impulso de tensión por la conexión de un banco de condensadores en MT

Otra causa que origina impulsos debidos a maniobras, es la desconexión de algún transformador con carga conectada a la red de media tensión. En esta situación, la tensión puede alcanzar un valor máximo aproximado de tres veces el valor nominal de la red, cifra que depende fundamentalmente de la corriente despejada por el dispositivo de protección por el lado primario (MT), de la máquina.


1-4



S E N O I

trabajando.

C A C I N U M O C E L E T Y

La actividad o nivel ceráunico se define como el número de días del año en que se presenta una

A C I

Figura 1.4 – Impulso de tensión por la desconexión de un transformador por el lado de MT

Las descargas atmosféricas sobre las redes de alimentación, constituyen otro motivo de la producción de impulsos eléctricos. Es evidente que este fenómeno de la naturaleza es esporádico, y su probabilidad de ocurrencia depende del nivel ceráunico de la región en donde se esté

descarga atmosférica en una región determinada. Para el caso de Chile, se considera en general un valor igual a 5, es decir de baja exposición. Para tener una idea la figura 1.5 indica el número y el valor de las sobretensiones que se pueden alcanzar a lo largo de un año según el índice de ocurrencia del fenómeno. Se trata de valores estadísticos y se está siempre a merced de una descarga directa de rayo de valor muy superior.

Figura 1.5 – Sobretensiones estadísticamente posibles según la probabilidad de exposición al rayo


1-5

N Ó R T C E L E , D A D I C I R T C E L E A E R Á


Las sobretensiones debidas a los impulsos en la red de media tensión, pueden transmitirse directamente a la red de baja. En un transformador MT/BT, en vacío o poco cargado, las sobretensiones de rayo o de maniobra se transmiten al secundario en función de la relación de transformación, afectada por un coeficiente de corrección. Este coeficiente es en general inferior a 1,3 para la onda de impulso de tensión recurrente de 1,2/50 (µseg), que simula el tipo de onda originada por un rayo (figura 6-a), mientras que para las sobretensiones de maniobra según la onda larga amortiguada de 0,25/2,5 (mseg), que simula el tipo de onda originada por una maniobra (figura 6-b), el factor casi nunca sobrepasa 1,8.

(a) onda de impulso de tensión por rayo

Figura 1.6 – Formas de ondas de impulso de tensión normalizadas según IEC 60060

Y

∆ 1

sólidamente aterrizado, debido a una maniobra o descarga atmosférica en el primario, se determina por la siguiente expresión:

ITBT = IMT ×

UBT × FCI UMT

Donde: ITBT

: Impulso transferido al lado de baja tensión (kV)

IMT

: Impulso en lado de media tensión (kV)

UBT

: Tensión de línea lado de baja tensión (kV)

UMT

: Tensión de línea lado de media tensión (kV)

FCI

: Factor de corrección para impulso


C A C I N U M O C E L E T Y A C I

(b) onda de impulso de tensión por maniobra

El valor máximo del impulso transferido al secundario de un transformador MT/BT en conexión

S E N O I

1-6



1.1.1.4

Transitorio de Corriente

Esta perturbación, es un impulso de corriente debido al arranque o conexión de cargas fundamentalmente de características inductivas. S E N O I

corriente máxima transitoria

(i)

∆

i


corriente máxima nominal

momento de encendido

(t)

A C I

Figura 1.7 – Transitorio de corriente

Esta perturbación se presenta principalmente en motores, lámparas de descarga y equipos computacionales y sus efectos se pueden reflejar principalmente en la pérdida de la continuidad del servicio por el disparo de un dispositivo de protección mal seleccionado. El valor del transitorio de encendido y su duración dependen principalmente del tipo de carga que sé este analizando, por ejemplo, un computador tiene un valor promedio de 6 veces la intensidad nominal durante un tiempo menor a 10 milésimas de segundos mientras que un motor puede tener una cifra cercana a las 10 veces la nominal con tiempos de arranque similares. En este último caso también se debe considerar la corriente de aceleración.

1.1.2

Sobre la Onda Senoidal

Las tensiones observadas en las redes no son nunca perfectamente sinusoidales, debido a la presencia en ellas de equipos que por sus características de operación o calidad de fabricación, inyectan señales que distorsionan a la fundamental. Por ejemplo algunos de estos equipos son los generadores eléctricos de baja calidad, transformadores operando en su límite de carga, equipos con características no lineales y actualmente la presencia de corrientes portadoras.


1-7



1.1.2.1

Ruido

El ruido eléctrico es una alteración permanente de la señal de alimentación, debajo valor, que se presentan en los conductores de alimentación del sistema, pero que dependiendo del esquema de neutro de la red (especialmente en el esquema TN), pueden inducirse en el conductor de tierra afectado a las comunicaciones entre computadores cuando estos no están conectados a una puesta a tierra de protección independiente.

S E N O I C A C I N U M O C E L E T Y

v

A C I Figura 1.8 – Ruido eléctrico

Suelen producirse por el funcionamiento de convertidores y rectificadores y en aquellos equipos que producen arcos eléctricos, tales como colectores de escobillas.

1.1.2.2

Parpadeo

Cuando una variación rápida de la tensión se produce de forma repetitiva, ocasiona en las lámparas de iluminación un parpadeo visible y molesto. Por extensión, se llama también parpadeo a dicha perturbación de tensión que la origina. El parpadeo o también llamado voltaje flicker, se refiere a cambios en la envolvente de la frecuencia de alimentación, la que para nuestro caso es de 50 Hz. El voltaje de la envolvente es llamado nivel instantáneo de flicker (LFI).


1-8



(v)

S E N O I

(t)

Figura 1.9 – Parpadeo de voltaje

En Chile, el índice de severidad de parpadeo o "flicker" durante un período de registro de mediciones de una semana cualquiera del año, o de siete días consecutivos, no debe exceder en el sistema eléctrico, el valor de 1 para tensiones iguales o inferiores a 110 (kV), ni exceder 0,8 para tensiones superiores a 110 (kV). Si este índice es evaluado estadísticamente en intervalos consecutivos de dos horas durante un período de registro de mediciones de una semana cualquiera del año o de siete días consecutivos, no debe exceder de 0,8 para tensiones iguales o inferiores a 110 (kV) ni exceder 0,6 para tensiones superiores a 110 (kV).

1.1.2.3

Armónicos

Un armónico determinado, es una perturbación superpuesta a la onda fundamental que también es una onda sinusoidal, pero de distinta frecuencia de pulsación y con valores de amplitud menores a esta. El efecto combinado es una onda periódica no sinusoidal denominada distorsión armónica. señal fundamental f=50 Hz 2° armónico f=100 Hz

0

t (seg)

Figura 1.10 – Forma de onda no sinusoidal distorsionada por un 2° armónico


1-9



Existen dos tipos de fuentes que dan origen a los armónicos: las de tensión y las de corriente. Las primeras se encuentran en el área de responsabilidad de la Compañía Eléctrica, debido principalmente a la saturación del núcleo de transformadores de distribución. En cambio, las fuentes de corriente las encontramos en las redes de los clientes debido a las cargas con características no lineales que estos poseen. Una carga no lineal absorbe corriente en impulsos bruscos en lugar de hacerlo con suavidad como en el caso de las cargas lineales. Dichos impulsos crean una onda de corriente distorsionada que contiene armónicos.

señal de alimentación sinusoidal (tensión)

señal de alimentación sinusoidal (tensión)

señal de la carga sinusoidal (corriente)

0

t (seg)

señal de la carga no sinusoidal (corriente)

0

carga no lineal

Figura 1.11 – Forma de onda de corriente

Cada armónico tiene un nombre característico, una frecuencia que lo señal y una secuencia de giro. En los sistemas de distribución de corriente alterna, las formas de onda de la parte positiva y negativa de la corriente y la tensión, son casi iguales, por lo tanto, no hay ninguna componente de corriente continua. En estas condiciones, no se generan armónicos de número par. Los restantes armónicos se producen en tres secuencias de giro según el efecto de la rotación de su fasor de corriente. Cuanto mayor es la frecuencia, más rápida es la rotación del campo magnético. Tabla 1.1 Ar mó ni co s c arac ter íst ic os de l os si st emas d e di st ri buc ió n

Nombre

1°

3°

5°

7°

9°

11°

13°

15°

17°

Frecuencia

50

150

250

350

450

550

650

750

850

Secuencia

+

0

-

+

0

-

+

0

-


C A C I N U M O C E L E T Y A C I

t (seg)

carga lineal

S E N O I

1-10



La rotación de los armónicos de secuencia positiva, incluida la frecuencia fundamental, es en el sentido de las agujas del reloj. Mientras que el campo magnético producido por los armónicos de secuencia negativa, giran en el sentido opuesto de las manecillas del reloj. Los armónicos de secuencia cero denominados “triplens”, en lugar de girar, se suman linealmente en el conductor neutro de los alimentadores y subalimentadores trifásicos de cuatro hilos.

Vb

Va


Vc 120°

(+)

(0)

120° 120°

120° 120°

(-)

120°

Vc

Va Va

Vb Vc

Vb

Figura 1.12 – Secuencias de giro de fasores

1.2.0

A C I

Fallas

A diferencia de las perturbaciones, las fallas son anormalidades de los sistemas eléctricos que impiden continuar la operación de uno o más componentes de las instalaciones, y requieren la rápida acción de los esquemas de protecciones para no dañar a los equipos. Entre las fallas, las más comunes son las sobrecargas, los cortocircuitos, las asimetrías y los defectos de aislación.

1.2.1

Sobrecargas

La falla de sobrecarga esta directamente relacionada con un aumento de la solicitación de potencia que se le exige a un punto, por sobre el máximo valor que este, está capacitado para entregar según su condición de diseño. Se manifiesta en la instalación mediante un aumento de la corriente, por lo que podríamos decir que una línea o equipo se encuentra sobrecargado, cuando su corriente es superior a la nominal debido a una sobre exigencia de potencia. Los factores que producen las sobrecargas son múltiples, pero fundamentalmente esta falla obedece a un mal estudio de necesidad de potencia para una instalación en particular, o la modificación (en términos de aumento), de la capacidad conectada al sistema sin verificar si este estaba capacitada para alimentar los nuevos consumos.


S E N O I

1-11



1.2.2

Cortocircuitos

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 causas que originan los cortocircuitos son múltiples. En la distribución en baja tensión, se

S E N O I

de los originados por el balanceo de los conductores.


Dependiendo de la capacidad de generación, distancia e impedancia entre la fuente y el tipo de

A C I

deben con mayor frecuencia al deterioro mecánico de la aislación. En líneas subterráneas se deben principalmente a la ruptura de la aislación causada por movimientos del terreno, golpes de picota, infiltración de humedad, etc. Otras causas de cortocircuitos dignas de mencionar son: envejecimiento de la aislación, daño de bobinados, falsas maniobras tales como apertura en carga de disyuntores, etc. En cuanto a su duración, se pueden distinguir cortocircuitos permanentes y transitorios. A estos últimos, cuando se repiten en cortos intervalos, se les llama intermitentes; es el caso, por ejemplo,

cortocircuito, las sobrecorrientes pueden alcanzar una magnitud varias veces superior a la corriente nominal de los equipos. Las consecuencias de estas sobrecorrientes son múltiples, tales como: calor del arco o calor producido por el contacto en el cortocircuito, que pueden fundir los conductores, carbonizar los aislantes u originar un incendio. Al respecto no conviene despreciar el calentamiento producido por la corriente de cortocircuito, que concentra su efecto en los puntos más débiles: uniones de conductores, contactos de disyuntores, etc. Tampoco de debe despreciar los efectos electrodinámicos de las corrientes de cortocircuito. En estas condiciones los enrollados de los transformadores prácticamente son sacudidos y pueden producir deformaciones en sus bobinas. Otros efectos originados por esto mismo son: deformaciones de barras y conductores, que deben ser consideradas en los proyectos.

1.2.3

Asimetrías

La forma usual de la red es generalmente el sistema de corriente trifásica con 380 (V), el cual está constituido de tres tensiones alternas, desplazadas temporalmente por 120° eléctricos.


1-12



Las tensiones son representadas en un diagrama fasorial y dan por resultado un triángulo equilátero. Esta manera de representación, es generalmente la usual, en la electrotecnia para visualizar las sinusoides de manera fácil y clara. S E N O I U L1 – L2

U L2 – L3 120°

120°

120° U L3 – L1 Figura 1.13 – Representación fasorial de un sistema de tensiones trifásicas

Bajo operación normal, todas las amplitudes de las tensiones en el sistema de corriente trifásica son iguales y se muestran en forma de un ángulo de separación de 120 grados. En el caso de una discrepancia de esta forma se habla de una asimetría. Normalmente un sistema trifásico puede presentar la condición de asimetría cuando un motor trifásico en delta pierde una de sus fases de alimentación, o bien, en un sistema trifásico en estrella, se corta la unión entre el punto estrella del transformador de alimentación y la tierra (tierra de servicio), en una red desequilibrada.

U L1 – L2

U L2 – L3

N U L3 – L1 Figura 1.14 – Representación fasorial de un sistema asimétrico

Las consecuencias de la asimetría de un sistema pueden ser en, el caso de la pérdida de una fase de alimentación a un motor trifásico, un aumento de la corriente al motor y el consiguiente daño de este, y en el caso del levantamiento del neutro, una elevación de la tensión en las cargas monofásicas.


1-13



1.2.4

Defecto de Aislación

El defecto o falla de aislación, se produce fundamentalmente en el equipamiento eléctrico con carcaza metálica integrante de la red interior. Esta falla es debida normalmente por una falta de adecuada mantención de estos equipos, lo que se traduce en una unión casi directa de la fase que alimenta al equipo y su carcaza. Los efectos que puede ocasionar una falla de aislación son en general, el compromiso de la integridad de los usuarios de las instalaciones eléctricas, debido a que pueden tocar el equipo fallado, provocando el denominado contacto indirecto. Las características de las fallas de aislación y el efecto sobre las personas, será analizado en el capítulo de los dispositivos diferenciales residuales.



1-14


Bibliografía de la Unidad

Decreto Supremo N°327, Reglamento de la Ley General de Servicios Eléctricos Ministerio de Minería S E N O I

Comisión Nacional de Energía, Santiago, Chile, 1998 Guide Technique, La Distribution de Puissance


Legrand Legrand SNC, Limoges, France, 2001 Cahier Technique N°141, Les Perturbations Électriques en BT Roland Calvas Direction Scientifique et Technique, Schneider Electric, Clalx, France, 2000 Alimentación de Equipos Informáticos y Otras Cargas Críticas Salvador Martínez García McGraw-Hill, Interamericana de España S.A., Madrid, España, 1992

A C I

Puesta a Tierra en Edificios y en Instalaciones Eléctricas José Toledano Gasca – Juan Martínez Requena Editorial Paraninfo, ITP and International Thomson Publishing Company, Madrid, España, 1997 Distribución Industrial de la Energía Mario Lillo Saavedra Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Concepción, Concepción, Chile, 1996 Protecciones de Sistemas Eléctricos Luis Brand Contreras – Juan Moncada Vergara Editado impreso y distribuido por Hugo González, Santiago, Chile, 1976 Calidad del Suministro Eléctrico Prof. Claudio González Cruz Área Electricidad, Electrónica y Telecomunicaciones, INACAP, Santiago, Chile, 2001


1-15


06_Anormalidades en Las Instalaciones Eléctricas

Recommend Documents