08_Protección de Las Instalaciones

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

UNIDAD 3 Protección de las Instalaciones

S E N O I

Introducción

Proteger a las instalaciones de todas las posibles agresiones a que ellas pueden verse sometidas, es una de las premisas principales de todo profesional vinculado en la selección de dispositivos de protección eléctrica. Resulta evidente pensar que al ocurrir una anomalía peligrosa para la instalación, el dispositivo de protección asociado con el defecto, opere en el tiempo más adecuado para evitar comprometer la integridad de la misma y que a la vez, su operación desconecte solo la parte fallada y no el total de las instalaciones en el caso de que el defecto sea al interior de ellas. Por razones obvias, poseer un solo dispositivo que sea capaz de proteger a las instalaciones de todas las posibles fallas que en estas pueden presentarse resulta ser imposible, por lo que se deben utilizar combinaciones adecuadas y eficaces de aparatos de protección eléctrica al interior de las mismas. Una mala selección de las características de un dispositivo de protección, puede acarrear desde una pérdida de la continuidad del servicio, hasta un peligro de daños en los elementos conductores de la instalación y en algunos equipos existentes en ellas.

Programa de Estudio Ingeniería en Electricidad con Mención en Potencia

3-1

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 TENSIÓN Prof. Claudio González Cruz

3.1.0

Agresiones de Origen Eléctrico

Por agresión se entiende todo fenómeno eléctrico que puede comprometer la integridad de las instalaciones interiores, sean estos de origen externo o interno. Las agresiones de origen externo están dadas principalmente por anomalías ocurridas en la red eléctrica de distribución pública, mientras que las internas, obedecen a fallas que se presentan en las propias redes de la instalación interior.

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

agresión externa

instalación eléctrica

agresión interna Figura 3.1 – Modelo de agresiones externas e internas a las instalaciones

3.1.1

A C I

Agresiones Externas

Las agresiones de origen externo en general, son del tipo sobretensión, las que se deben principalmente a fenómenos atmosféricos y pérdida de simetría en la red trifásica de baja tensión. Las sobretensiones de origen atmosférico pueden tener su origen principalmente en la caída directa de un rayo sobre los conductores de alimentación de la red pública aérea, lo que provoca una onda de sobrevoltaje entre estas y tierra del orden de los 150 kV.

Figura 3.2 – Sobretensión por descarga de un rayo en las líneas de distribución


S E N O I

3-2

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

La pérdida de la conexión a tierra de servicio de una red pública trifásica de cuatro hilos en baja tensión, conectada en estrella y de características desequilibrada, produce el fenómeno denominado desplazamiento del punto neutro, lo que se traduce en una pérdida de la simetría del sistema trifásico que por consiguiente se transforma en un aumento de la tensión de alimentación hacia las cargas monofásicas.

U L1 – L2


U L2 – L3

N

U L3 – L1

Figura 3.3 – Representación fasorial de un sistema asimétrico

En general las agresiones de origen externo pueden provocar la destrucción total de las instalaciones eléctricas, como también, de los equipos asociados a esta, independientemente que estos últimos se encuentren apagados (solo basta que estén conectados a la red).

3.1.2

Agresiones Internas

Las agresiones de origen interno en general, son del tipo sobrecorriente, las que se deben principalmente a fallas del tipo sobrecarga y cortocircuitos. Las sobrecargas se relacionan con el aumento de la solicitación de potencia que se le exige a un punto, por sobre el máximo valor que este está capacitado para entregar. Se manifiesta en la instalación eléctrica mediante un aumento del valor de la corriente. (i)

(t)

Figura 3.4 – Ejemplo de sobrecarga


S E N O I

3-3

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


Los cortocircuitos, son la elevación instantánea de la corriente nominal del sistema debido a la pérdida o disminución brusca de la impedancia característica de la red. Sus causas son múltiples, siendo la más común la unión de conductores de potencial diferente. S E N O I

(i)


(t)

Figura 3.5 – Ejemplo de cortocircuito

Las fallas anteriormente indicadas, son altamente perjudiciales para las instalaciones eléctricas, en especial para los conductores, por lo que cuando ellas se presentan, los dispositivos de protección deben ser capaces de reaccionar en un tiempo lo más pequeño posible.

3.2.0

Protección de las Instalaciones Contra Agresiones Externas

Para la protección de las instalaciones eléctricas finales contra las agresiones de origen externo, como las explicadas anteriormente, se deberán utilizar tanto los protectores de sobrevoltaje y las puestas a tierra de servicio.

3.2.1

Los

Protectores de Sobrevoltaje

protectores

de

sobrevoltaje

son

dispositivos

destinados a limitar las sobretensiones de origen externos debidas a la caída de un rayo en la red pública, evitando que estas lleguen a las instalaciones finales de los clientes. Esta limitación la realizan por derivación a tierra de la onda de sobretensión.

Figura 3.6 – Protector de sobrevoltaje


3-4



3.2.1.1

Principio de Operación

En condiciones normales de operación (sin presencia de una sobretensión externa por rayo), la señal ingresa directamente a las instalaciones eléctricas energizando los equipos asociados. En este caso, la diferencia de potencial entre la alimentación y tierra es equivalente a la tensión nominal de la red, por lo que el protector de sobrevoltaje presenta al sistema una elevada resistencia, actuando como un elemento aislado de tierra.

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

Figura 3.7 – Protector de sobrevoltaje en condiciones normales de operación

En condiciones de defecto, al producirse una sobretensión en la red pública debido a la caída de un rayo, el protector de sobrevoltaje deriva a tierra el potencial peligroso evitando que ingrese al interior de las instalaciones del abonado.

Figura 3.8 – Protector de sobrevoltaje en condiciones de defecto


3-5



3.2.1.2

Elementos Internos

Un protector de sobrevoltaje se compone en su interior de cápsulas (una por cada polo de conexión), que están rellenas de millares de pequeños granos de óxido de zinc que se comportan S E N O I

como una resistencia variable según a la tensión a la que quedan sometidas (varistancia).

cuerpo aislante


granos de óxido de zinc

contactos metálicos

A C I Figura 3.9 – Componentes internos de un protector de sobrevoltaje

Al presentarse una sobretensión en la red de origen atmosférico, los granos de óxido de zinc actúan de tal forma que presentan a la red, una extremadamente baja resistencia respecto a tierra, por lo que la corriente que acompaña a la sobretensión, es derivada al suelo, con lo que el voltaje alto y dañino es drásticamente limitado.

3.2.1.3

Parámetros Característicos

Las parámetros característicos asociados a los protectores de sobrevoltaje son la corriente máxima de descarga y el nivel de protección. La corriente máxima de descarga (I MAX), representa el valor máximo de corriente que puede

soportar el dispositivo una sola vez sin ser destruido. Su valor depende del nivel de exposición al rayo que puede tener la zona geográfica en donde se encuentre la instalación. Se identifican las zonas de alta protección, las de protección elevada y las de protección estándar.


3-6



El nivel de protección (UP), Representa la tensión residual que puede afectar a los equipos

protegidos, durante el accionar del dispositivo. Su valor se relaciona directamente con la clase de aislación de los aparatos conectados en la red.

3.2.1.4

S E N O I

Criterios de Selección

Para la selección de las características adecuadas de los dispositivos protectores de sobrevoltajes se deben considerar parámetros tales como: la geografía del lugar de ubicación de la instalación, las características de la red de distribución eléctrica de la compañía y el grado de protección de los equipos asociados. La geografía del lugar se relaciona con el nivel ceráunico de la zona, el que se define como el

número de días del año en que se presenta una descarga atmosférica en la región. Para el caso de Chile costero, se considera en general un valor de baja exposición, mientras que para el caso de Chile urbano, este valor crece hacia una zona de mediana exposición, mientras que para el Chile cordillerano (sectores mineros), este nivel crece bastante hasta alcanzar valores de alta exposición. Para zonas de baja exposición el dispositivo a elegir se recomienda posea una corriente máxima de descarga de 15 kA (protección estándar), para las de mediana exposición este valor se sugiere sea de 40 kA (protección elevada), mientras que para las de alta exposición el dispositivo deberá poseer no menos de 70 kA (alta protección). Las características de la red de distribución definen también el nivel de protección y por ende,

la corriente máxima de descarga. Sus valores son iguales a los indicados anteriormente para el caso de redes aéreas, mientras que para el caso de sistemas subterráneos independiente de la zona geográfica, se recomienda la protección de nivel estándar. El grado de protección de los equipos asociados define el nivel de protección U P del dispositivo

(entre más sensible el equipo menor deberá ser el nivel de protección). Se identifican tres grados de protección: el aplicado a material poco sensible, sensible y el muy sensible. Para los materiales clasificados como poco sensibles (aparamenta eléctrica), se recomienda un nivel de protección menor o igual a 2 kV, para los sensibles (artículos electrodomésticos), se aconseja un nivel de protección menor que 2 kV pero mayor o igual a 1,8 kV, mientras que para los muy sensibles se sugiere que sea mayor o igual a 1,2 kV pero menor a 1,8 kV.


3-7



3.2.2

Puestas a Tierra de Servicio

La puesta a tierra de servicio consiste en general, en conectar a tierra el neutro de la alimentación de la instalación eléctrica interior. Para el caso de los clientes finales que posean un empalme de baja tensión, la conexión a tierra del neutro debe efectuarse en un punto lo más próximo posible al empalme, preferentemente en el lugar de unión de la acometida con la instalación.


R red pública de distribución en baja tensión

S T N empalme 1φ

empalme 3φ

conductor de puesta a tierra de servicio

conductor de puesta a tierra de servicio tablero general

neutro

tablero general

fase

neutro

tierra de servicio particular

fase fase fase 1 2 3

A C I

tierra de servicio particular

Figura 3.10 – Tierra de servicio en instalaciones interiores con empalme de baja tensión

Los clientes de alta tensión, deberán conectar a tierra el punto estrella del secundario de su transformador, generando así su puesta a tierra de servicio. R red pública de distribución en media tensión

S T

transformador particular

conductor de puesta a tierra de servicio

tablero general

neutro tierra de servicio particular

fase fase fase 1 2 3

Figura 3.11 – Tierra de servicio en instalaciones interiores con empalme de alta tensión


S E N O I

3-8



La sección del conductor de puesta a tierra de servicio se fijará de acuerdo a la información indicada en la tabla siguiente: Tabla 3.1 Secciones nominales para conductores de puesta a tierra de servicio Sección nominal del co nductor de acometida mm 2

Sección nominal del conductor de tierra de servicio mm 2

hasta 6 entre 10 y 25 entre 35 y 70 entre 95 y 120 entre 150 y 240 entre 300 y 400

4 10 16 35 50 70

S E N O I

Esta tierra de servicio en general, conduce a tierra las corrientes particulares y normales existentes en la instalación eléctrica, y permite además en el caso de las redes trifásicas, mantener el sistema de tensiones en perfecta simetría, sean estos equilibrados o no. Tal como se señalo anteriormente, si se corta el neutro de la alimentación en la red trifásica se pierde la simetría, por lo que la tensión de alguna de sus fases se eleva a la tensión simple de línea provocando que los equipos conectados a esta se destruyan por la elevación de tensión. Por esto, en la red pública deberán existir varias puestas a tierra de servicio,, y la del cliente final de baja tensión, debe apoyar la acción de estas frente a un eventual corte de alguna de ellas.

3.3.0

Protección de las Instalaciones Contra Agresiones Internas

Para la protección de las instalaciones eléctricas finales, entiéndase sus conductores, contra las agresiones de origen interno, se utilizan en la actualidad preferentemente los interruptores automáticos.

3.3.1

Interruptores Automáticos

Los interruptores automáticos son dispositivos que aseguran la protección de los conductores que alimentan los circuitos terminales contra sobrecargas y cortocircuitos, además de servir igualmente como aparatos de comando y seccionamiento. Estos pueden ser del tipo modulares o caja moldeada.


3-9



3.3.1.1

Interruptores Modulares

Las protecciones modulares o de pequeña envergadura, son las de uso tradicional en sectores domiciliarios, terciarios y ciertas aplicaciones industriales. Como característica principal se puede destacar que éstas protecciones son de intervención fija, es decir, vienen reguladas de fábrica y por lo tanto, el usuario no puede modificar sus parámetros de trabajo. Además, que poseen un disparo del tipo termomagnético.


Disparador magnético (cortocircuito)

Porta etiqueta

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Cámara de Corte

Contactos internos Disparador térmico (sobrecarga)

A C I

Figura 3.12 – Características constructivas protecciones modulares

Contacto s internos (fijo y móvil). Sobre ellos acciona el dispositivo de operación, así como

también los elementos de desconexión automática. Los contactos se fabrican en plata, debido a que este metal ofrece una elevada seguridad contra su soldadura, a la vez que garantiza una larga duración de sus maniobras en servicio normal. Dis par ad or té rm ic o. Constituido por un bimetal que se dilata debido a la temperatura generada

por efecto Joule, al paso de una sobrecorriente. Esta dilatación produce la apertura del circuito pues opera finalmente sobre el contacto móvil, separándolo del fijo. Dis par ado r m agn é tic o. Constituido por una bobina, que al ser circulada por una corriente

excesiva, crea un campo magnético suficiente para desplazar el núcleo central, el que a su vez opera sobre el mecanismo de desconexión abriendo el disyuntor. El disparador magnético es del tipo instantáneo para sobreintensidades elevadas.


3-10



Cám ara d e Co rt e. Corresponde al dispositivo enfriador del arco que se genera al abrir los

contactos durante la circulación de la corriente de falla. Tiene cierto número de placas metálicas ferrosas aisladas unas de otras, que producen el enfriamiento del arco, que es dividido en una serie de pequeños arcos que se producen entre una placa y otra, creciendo la tensión de arco en sentido opuesto al voltaje aplicado haciendo que la cámara apague el arco. De este modo, la corriente de cortocircuito es drásticamente limitada y cortada en cuanto la tensión de arco alcanza el valor de la tensión aplicada.

S E N O I

del orden de algunas milésimas de segundos.


La forma en como las protecciones termomagnéticas modulares responden a las corrientes de

A C I

3.3.1.1.1

Características de Operación

Dos tipos de defecto pueden hacer actuar un disyuntor: la sobrecarga y el cortocircuito. En caso de sobrecarga o de calentamiento, el bimetal se dilatara y provocara la apertura del disyuntor. El tiempo de reacción del disyuntor es inversamente proporcional a la corriente que le atraviesa. En caso de un cortocircuito, el dispositivo electromagnético abre el disyuntor en un tiempo muy corto,

sobrecarga y cortocircuito, viene representada por medio de su curva de respuesta, las que se caracterizan por las siguientes corrientes de referencia: -

Corriente Nomin al (I ). N Corriente a la cual se refieren todas las especificaciones de

construcción del aparato y que representa el valor unitario en la característica de funcionamiento. -

Corriente de No Funcion amiento (I N ). F Valor máximo de sobreintensidad que no hace

disparar al interruptor dentro del tiempo convencional. -

Corriente de Funcion amiento (I ). F Valor mínimo de sobreintensidad que hace actuar al

interruptor dentro del tiempo convencional. Tabla 3.2 Características de intervención de interruptores automáticos modulares Norma IEC 947 – 2 IEC 898 NCH 2012

IN

INF

IF

Tiempo convencional

< 63 A > 63 A < 63 A > 63 A < 82 A

1,05 IN 1,05 IN 1,13 IN 1,13 IN 0,9 IN

1,30 IN 1,30 IN 1,45 IN 1,45 IN 1,30 IN

1,0 hrs. 2,0 hrs. 1,0 hrs. 2,0 hrs. 1,0 hrs.


3-11



El disparador magnético de las protecciones modulares, debe ser capaz de soportar sin operar, la corriente transitoria que se produce durante la conexión de la carga presente en el circuito, además, debe despejar la corriente mínima de cortocircuito que se presenta en el conductor a proteger. Esta capacidad, queda definida por tres tipos de disparadores característicos: -

Tipo B. Posee un rango magnético comprendid0 entre las 3 y las 5 veces la capacidad nominal

de la protección. Su aplicación esta orientada preferentemente para circuitos de control y alumbrado resistivo en instalaciones con bajos niveles de cortocircuito. -

Tipo C. Su rango magnético esta comprendido entre las 5 y las 10 veces la corriente nominal

del interruptor. Posee gran cantidad de aplicaciones, siendo las más comunes la iluminación fluorescente y los circuitos de enchufes. Se recomienda para instalaciones con niveles de cortocircuito mínimos de mediano valor. -

Tipo D. Se utiliza preferentemente para la protección de circuitos donde hay fuertes transitorios

de encendido. Resultan adecuados para la protección de pequeños transformadores, motores, etc., Están regulados para sobrecorrientes entre 10 y 20 veces la capacidad nominal del disyuntor.

t

(Sobreintensidad débil: desconexión lenta)

Magnético

3 F

N F I I

5

B

C

10

20

(Sobreintensidad fuerte: desconexión rápida)

D

Figura 3.13 – Curvas de operación normalizadas



Térmico

0,01 s

S E N O I

3-12


3.3.1.1.2

Capacidad de Ruptura

Es la más grande intensidad de cortocircuito que puede interrumpir el disyuntor en las condiciones de tensión, factor de potencia y de cortocircuito determinado por la norma. La protección deberá ser capaz, después de cortar, de funcionar normalmente y de responder todavía a las exigencias propias de la red. La capacidad de ruptura del automático deberá ser mayor o igual a la corriente de cortocircuito supuesta en el punto donde el dispositivo esta instalado, para que pueda proteger a la instalación de las fuertes solicitaciones a la que estará expuesta. La Norma IEC 898 (Domiciliario), y la IEC 947 – 2 (Industrial), definen dos poderes de ruptura según una secuencia de prueba para una misma protección: Poder de Cortocircu ito de Servicio (I C ) S . Ensayado con la secuencia (*) O – t – CO – t – CO. Poder de Cortocirc uito Último (I ) . Ensayado con la secuencia (*) O – t – CO. CU

Estos ensayos definen principalmente el valor de la capacidad de ruptura que tendrá una protección, según el ámbito o sector en la cual se utilice. Esto se establece conforme a la relación existente entre el valor de cortocircuito extremo y el valor del corto circuito de servicio. “k” ,

expresado a

continuación: Tabla 3.3 Factores k de interruptores modulares Poder de Cortocircuito Último (ICU)

Factor k

ICU ≤ 6000 A 6000 A < ICU ≤ 10000 A ICU > 10000 A

1 0,75 (1) 0,50 (2)

(1) Valor mínimo de ICS = 6000 A (2) Valor mínimo de ICS = 7500 A


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

(*) Nota: O : Operación que presupone la intervención ante un cortocircuito establecido por un interruptor auxiliar. t : Tiempo de enfriamiento. CO : Operación que presupone la intervención ante un cortocircuito encerrado al interior del aparato (establecido por el mismo interruptor).

La relación entre ICU e ICS esta especificado normativamente a través del factor

S E N O I

3-13



Hasta 6 kA, el factor k = 1; en consecuencia, los interruptores con poder de corte de interrupción último (ICU), menores a 6 kA, deben ser probados bajo l as condiciones más exigentes (O – t – CO – t – CO). Se ha tenido en cuenta, de este modo, que tales interruptores son utilizados preferentemente en el uso doméstico, donde las personas que accionan los aparatos no tienen conocimientos específico para poder evaluar el comportamiento de los aparatos en caso de cortocircuito y disponer eventualmente, de su sustitución (IEC 898). Para valores de ICU mayores a 6 kA, el factor k establecido, asigna al interruptor un poder de interrupción último más elevado respecto al de servicio, ya que los aparatos se utilizan en el sector industrial (IEC 947 – 2).

3.3.1.2

Interruptores Moldeados

Las protecciones caja moldeada presentan similares características de construcción, intervención y operación que las modulares, pero una de sus principales diferencias esta en la posibilidad que estas tienen, en permitir al usuario modificar sus características de respuesta. El campo de aplicación de estas protecciones esta dado para el sector terciario y principalmente para el industrial, debido a sus capacidades nominales y de robustez, principalmente frente a los cortocircuitos de valor elevado. Hoy en día, la electrónica se ha insertado en la construcción de las protecciones caja moleada, haciendo que las posibilidades de uso como la de rendimiento de estas, haya crecido enormemente sin perjuicio del espacio de ocupación al interior de los tableros. Esto último es un gran adelanto, debido a que se ha logrado reducir los tamaños de las protecciones sin modificar su capacidad nominal y características de operación, lo que ha permitido reducir el costo asignado a tableraje de grandes instalaciones. Otras de las posibilidades que las protecciones de características electrónicas permite, es la de protección de neutro en sistemas trifásicos de cuatro hilos con cargas monofásicas no lineales. Recordemos que estas cargas (especialmente los computadores), generan corrientes armónicas de secuencia cero y de tercer orden (tercer armónico triplens), las que producen circulación de corriente excesiva por los conductores neutros de los alimentadores trifásicos, con el consiguiente riesgo de sobrecarga de este debido a la utilización de protecciones que solamente operan y protegen a los conductores activos (fases). Las nuevas protecciones electrónicas permiten regular la corriente de operación del polo de neutro, a distintos valores respecto a la corriente de fase. Programa de Estudio Ingeniería en Electricidad con Mención en Potencia

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3.3.1.2.1

Clasificación

Las protecciones caja moldeada se clasifican en dos categorías de utilización (A o B), según la normalización internacional IEC 947-2. Esta norma determina si el disyuntor está o no específicamente previsto para retrazar su operación en presencia de un cortocircuito. Las protecciones categoría A, no están previstas específicamente para la selectividad en

condiciones de cortocircuito (sin tiempo de retardo). En general, son del tipo electromecánicas, por lo que sus únicas posibilidades de regulación de parámetros es solo en amplitud, ya que el tiempo es fijo. Estas protecciones al ser electromecánicas, poseen al igual que las del tipo modulares, contactos internos, disparador térmico, disparador magnético y cámara de corte. Los disparadores de las protecciones moldeadas categoría A, pueden ser ajustados (dependiendo el modelo), a distintos valores conforme a los requerimientos de la instalación. Al modificar el térmico, se regula el calibre de la protección, por ejemplo, entre un 70% a un 100% de su valor nominal de fabricación. Respecto al magnético, al regularlo permite modificar el soporte a las corrientes transitorias y por lo tanto mejorar la selectividad de operación.


t

I zona de zona de desenclavamiento desenclavamiento térmico magnético Figura 3.14 – Ejemplo curvas de operación magnetotérmico categoría A


S E N O I

3-15


Las protecciones categoría B , están previstas específicamente para la selectividad en

condiciones de cortocircuito (con tiempo de retardo). Estos disyuntores tienen un retardo intencional de corta duración (al menos 0,05 seg), y una corriente de cortocircuito asignada de corta duración que pueden soportar durante este tiempo, denominada Icw (fijada por el fabricante conforme a la norma IEC). De acuerdo con la norma IEC, la Icw es la corriente de cortocircuito que el disyuntor puede soportar por un tiempo mínimo de retardo, sin sufrir daños. Los tiempos de retardo fijados por la norma internacional IEC 947-2 son: 0,05 ; 0,1 ; 0,25 , 0,5 y 1 seg. Es importante aclarar, que para poder atrasar el tiempo de operación de la protección, la corriente de cortocircuito presunta que circularía por el dispositivo frente a una falla, debe ser menor o igual a la corriente asignada de corta duración. Tabla 3.4 Valores de corriente asignada de corta duración Capacidad nomin al (In) In ≤ 2500 (A) In > 2500 (A)

Icw

El disparo de la protección categoría B, frente a fallas de sobrecarga y cortocircuito, no se realiza por medio del tradicional bimetal ni la bobina magnética, sino que se realiza por medio de censores electrónicos para proceso y control (microprocesador), y activadores. Las características del disparo electrónico se encuentra basada en tres zonas de operación: t

I (2)

(3)

Figura 3.15 – Ejemplo curvas de operación electrónica categoría B



12 veces In o 5 kA (mayor valor) 30 kA

(1)

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(1) Zona de protección de largo tiempo de retardo (protección frente a sobrecargas) (2) Zona de protección de corto tiempo de retardo (protección frente a cortocircuitos) (3) Zona de protección instantánea (protección frente a fuertes cortocircuitos) Otra particularidad de las protecciones electrónicas, es que permiten regular su calibre en una zona más amplia que para el caso de los disparadores electromecánicos, además dependiendo del modelo se puede a la vez modificar su tiempo de respuestas. También existe la posibilidad del disparo de la protección frente a fugas a tierra, transformándose el dispositivo en un disyuntor diferencial.

3.3.2

Limitación del Cortocircuito

Como sabemos, el valor máximo de la corriente de cortocircuito en ausencia de interrupción, depende de la presunta corriente de falla (valor eficaz de la componente simétrica), del factor de potencia del defecto y de su ángulo de ataque. Esta corriente máxima o peak (I P), puede llegar en el peor de los casos a ser igual a 2,2 veces la corriente presunta de corto circuito (I CC). Todos los dispositivos de interrupción automática de cortocircuito introducen después del tiempo previo al arco, una resistencia de arco que impide hasta la primera semionda, que se alcance el valor de cresta (I P) anteriormente considerado. Se llama coeficiente de limitación

“C” del

aparato, a

la relación entre la corriente efectiva de cresta (I PI), y la corriente de cresta teórica (I P).

C =

IPI IP

El coeficiente de limitación es en función directa del tiempo previo al arco y función inversa de la tensión de arco. Los interruptores del tipo rápido con largo tiempo previo (3 ms.), y tensión de arco bastante reducida (25% del voltaje máximo de la red), tienen unos coeficientes de limitación alrededor del valor 0,8; es decir, que limitan la corriente de cresta teórica aproximadamente en un 20%. Los interruptores limitadores de última generación, pueden tener tiempos previos al arco inferiores a 1ms. y tensiones de arco elevadas, consiguiendo coeficientes de limitación inferiores a 0,2. Esto significa que una corriente de cresta teórica de 10 kA (que corresponde a una I CC = 6 kA), esta limitada a únicamente 2 kA (que corresponde a una I CC = 1,5 kA). Esta teoría de la evaluación de la eficacia de los interruptores, explica por que el poder de interrupción de los interruptores limitadores, es igualdad de dimensiones, muy superior al que corresponde a los interruptores del tipo rápido. Programa de Estudio Ingeniería en Electricidad con Mención en Potencia

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Los disyuntores no limitadores, para tener un poder de ruptura importante, deben ser muy robustos, a fin de soportar las corrientes de cortocircuito importantes. Si los aparatos son ligeros, su poder de ruptura será muy débil y las tensiones de arco son además muy pequeñas, por lo que el disyuntor no puede cortar la corriente sino hasta cuando ésta pasa nuevamente por cero. En síntesis, al limitar el valor de la corriente de cortocircuito, se estarán además, reduciendo los efectos electrodinámicos y térmicos. Por definición, el poder de limitación de los disyuntores, es la aptitud del dispositivo para no dejar pasar, en un cortocircuito, más que una pequeña parte de la corriente de falla presunta. La aptitud de limitación de un disyuntor se determina por dos coeficientes:

1.-

Coeficiente de limitación de la corriente:

ki =

I lim itada I presunta

∫ i dt para I

2.-

Coeficiente de limitación del esfuerzo térmico:

ki 2 t =

CC

lim itada


0 t

∫

i 2 dt para I CC presunta

0

2

Regla general : Un disyuntor es limitador si : ki ≤ 0,6 y ki t ≤ 0,3

Figura 3.16 – Concepto de limitación



t

2

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La reducción en el tiempo y la amplitud del cortocircuito se logra a través de la apertura rápida de los contactos y el desarrollo acelerado del arco, para oponer a la tensión de la red una tensión de arco superior. Las ventajas principales de la limitación son por un lado las dimensiones reducidas del dispositivo (lo que lo hace más económico), y por otro, la disminución de los efectos producidos por un corto circuito (electromagnéticos, electrodinámicos, mecánicos y térmicos). Las curvas de limitación en corriente, entregan los valores máximos en amperes de cresta, de las corrientes limitadas por los disyuntores, para cada valor de corriente de cortocircuito presunta. ICC máxima (kA)

Curva de I CC sin limitación ICC no limitada

ICC presunta

ICC efectiva (kA)

Figura 3.17 – Ejemplo curva de limitación en corriente

Estas curvas permiten determinar si la corriente limitada es, por ejemplo, aceptada por el aparato instalado aguas abajo y además verificar si el conductor soporta el nivel de cortocircuito que se puede presentar en el sistema en presencia de una falla. Durante el corto circuito, se generan altas corrientes que pueden dañar los aislantes de los conductores. Estos daños son proporcionales al cuadrado de la corriente y al tiempo de duración de esta solicitación térmica. Es necesario verificar que esta energía específica que deja pasar la protección en el desarrollo de un corto circuito, no debe ser superior a la aceptada por los conductores.



Curva de limitación del disyuntor

ICC limitada

S E N O I

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Las curvas de energía específica entregan la cantidad de energía que deja pasar la protección, en función de la corriente de corto circuito producida por la falla. S E N O I

i2t (A2/s) 40A 109


32A

108

25A

107 106 105 104 103 102

ICC (A) 1

10

10

2

10

3

4

10

5

10

Figura 3.18 – Ejemplo curva de energía específica

3.3.3

A C I

Condiciones de Utilización

Los interruptores automáticos para que brinden una adecuada protección, sin sacrificar la continuidad del servicio, deben ser capaces de cumplir en cualquier tipo de instalación eléctrica con las siguientes condiciones: - Debe asegurar la continuidad de servicio. - Debe ser capaz de permitir la filiación o back up de protecciones - Debe asegurar la protección bajo condiciones de modificación de parámetros.

3.3.3.1

Selectividad de Operación

Al presentarse una sobrecorriente en una instalación (especialmente originada por un cortocircuito), todas las protecciones que se encuentren entre la fuente de alimentación y el punto fallado detectarán el defecto, pero solo el dispositivo más cercano a la falla debe eliminarla para no sacrificar la continuidad del servicio.


3-20



La selectividad se refiere a la protección que debe operar frente a una falla desde aguas abajo hacia aguas arriba. Este concepto, al lograr que la protección que este más cerca del punto de falla opere primero, delimita la falla a la menor área posible, de modo que las perturbaciones que esta introduce al resto de la instalación son mínimas, lográndose la continuidad de servicio deseada. Teóricamente es posible asegurar por diferentes métodos, que dos protecciones son selectivas siempre para cualquier valor de corriente de cortocircuito, a lo que se le llama selectividad total. Lamentablemente en la práctica, debido a las combinaciones de protecciones que normalmente se utilizan, sólo existirá selectividad entre dos dispositivos hasta cierto valor de corriente de falla; esto último se denomina selectividad parcial. t

t B

B

A

A

I

Sólo A abre

I

Ambos abren

SELECTIVIDAD TOTAL

SELECTIVIDAD PARCIAL

Figura 3.19 – Selectividad

Para el primer caso de la figura 3.19, la selectividad estará asegurada cuando la protección A opera para todas las corrientes de cortocircuito inferiores o iguales a su poder de corte (selectividad total), mientras que para el segundo caso, la selectividad estará asegurada hasta la corriente indicada en el punto de intersección de ambas curvas. Para valores superiores a dicha corriente, ambas protecciones operan (selectividad parcial).



Corriente Límite de Selectividad

Sólo A abre

S E N O I

3-21



Los límites de selectividad para distintas combinaciones de protecciones son dados por los fabricantes, por medio de tablas tal como la indicada en la figura siguiente: Límites de Selectividad Protección aguas abajo

16 (A) 25 (A) 40 (A) 63 (A) 100 (A) 125 (A)

S E N O I

Protección aguas arriba

40 (A) 800 800

63 (A) 1000 1000 1000

100 (A) 1200 1200 1200 1200

125 (A) 1200 1200 1200

1200

160 (A) 2500 2500 2500 1600 1600 1600

250 (A) 3500 3500 3500 2500 2500 2500

400 (A) 8000 8000 6000 6000 6000 6000

630 (A) 8000 8000 6000 6000 6000 6000

1600 (A) T T T T T T


corriente límite de selectividad Figura 3.20 – Ejemplo tabla límite de selectividad

A C I 3.3.3.2

Coordinación de la Protección

Tanto la norma NCH 2012 como la IEC 898, indican que es posible utilizar interruptores automáticos en instalaciones eléctricas en que la corriente de cortocircuito prevista exceda la capacidad de cortocircuito nominal del interruptor, siempre y cuando aguas a arriba, exista otro dispositivo de protección con el poder de interrupción necesario. Lo anterior se denomina protección de BACK – UP o coordinación de la protección. En este caso, las características de los dispositivos deben estar coordinadas de manera que el I 2t que deja pasar el dispositivo aguas arriba, no sea superior al que pueda soportar sin dañar, tanto al interruptor aguas abajo como los conductores protegidos. La verificación teórica de la coordinación de BACK – UP puede hacerse comparando las características tiempo / corriente, como también, con las características de limitación de las protecciones a utilizar. Para realizar una buena protección de acompañamiento, es necesario aplicar tablas de asociación o afiliación de protecciones entregadas por los fabricantes.


3-22



3.3.3.3

Modificación de los Parámetros de la Protección

Dentro de la selección de las características de la protección, un estudio que se hace necesario, es averiguar la forma en como afecta a las características de disparo del dispositivo, la variación de los parámetros nominales de funcionamiento. Lo anterior es importante para poder tomar las medidas de corrección necesarias para asegurar el normal desenvolvimiento de la protección y la adecuada operación en condiciones que estén fuera de sus condiciones ideales de trabajo.

3.3.3.3.1

En Función de la Temperatura

Un disyuntor normalizado esta regulado para funcionar a su corriente nominal en una temperatura ambiente de referencia: - Según la NCH 2012

: 20ºC (disyuntores modulares).

- Según la IEC 898

: 30ºC (disyuntores modulares).

Cuando la temperatura se eleva sobre los valores indicados por la norma, es conveniente reducir la corriente de utilización para evitar las desconexiones intempestivas. Los fabricantes deberán entregar tablas de coeficientes a utilizar, en función de la temperatura ambiente.

En Función de la Cantidad de Aparatos Yuxtapuestos

Cuando varios disyuntores se instalan uno junto al otro, funcionando simultáneamente a su corriente nominal, la elevación térmica de un polo se limita; esto se traduce en una elevación de la temperatura de funcionamiento de los disyuntores, lo que provoca desenclavamientos intempestivos. Es aconsejable aplicar coeficientes suplementarios dados por los fabricantes, sobre las corrientes de empleo. Estos valores son los recomendados por la Norma IEC 439-1 (en nuestro país no existe normalización al respecto).



- Según la IEC 947 – 2 : 40ºC (disyuntores caja moldeada).

3.3.3.3.2

S E N O I

3-23



Tabla 3.5 Coeficientes de desclasificación de interruptores Nº de Aparatos Yuxtapuestos

Coeficiente

de 1 a 3 de 4 a 6 de 7 a 9 más de 10

1,0 0,8 0,7 0,6

S E N O I

A fin de evitar la utilización de estos coeficientes, es necesario espaciar los aparatos, para permitir una buena ventilación. Esto se logra a través de los elementos denominados separadores o espaciadores.

3.3.3.3.3

En Función de la Frecuencia

Los disyuntores (modulares y caja moldeada), vienen diseñados de fabrica para ser utilizados a una frecuencia nominal de 50 ó 60 Hz. En instalaciones muy particulares (especialmente la gran minería), la frecuencia nominal de la red de alimentación puede ser de 400 Hz. El funcionamiento a esta frecuencia de los disyuntores, determina un cambio de características de intervención termomagnética, que hay que tener en cuenta para efectuar la correcta elección de estas protecciones. Respecto a la operación frente a la sobrecarga, el relé térmico interviene para corrientes inferiores a las de trabajo a 50Hz, por lo que puede ser necesaria una reducción de clasificación térmica del aparato, que se calculará mediante los coeficientes de reducción entregados por el fabricante en forma gráfica o de tablas. Para el caso del cortocircuito, el relé magnético interviene para corrientes superiores a aquellas con las que funciona a 50 Hz; también en este caso, es necesario calcular el valor de intervención magnética a 400 Hz utilizando los coeficientes de aumentos suministrados por el fabricante. En forma general y a manera de ejemplo, se puede indicar que para el caso de las protecciones modulares, sus umbrales de intervención magnética se ven aumentados entre un 30 y un 45%. En los circuitos de corriente continua, se pueden producir sobreintensidades debidas a sobrecargas, a cortocircuitos o a derivaciones a tierra.


3-24



Para la protección contra sobrecargas es necesario que todos los bimetales del seccionador sean atravesados por la corriente; en estas condiciones, el funcionamiento térmico del interruptor en corriente continua no se diferencia sustancialmente del funcionamiento en corriente alterna. Para la protección de cortocircuitos (o derivación a tierra o a masa), es preciso que los seccionadores afecten a ambos polos, excluyendo eventualmente el polo unido a tierra o a masa. Debe tenerse presente que la capacidad de interrupción es tanto mayor, cuan mayor sea el número de contactos del circuito. En forma general y según lo anteriormente expuesto, una protección diseñada para trabajar en corriente alterna, puede eventualmente ser utilizada para la protección de sistemas que utilicen alimentación en corriente continua, teniendo la premisa de que el valor de la tensión nominal de trabajo de la protección es menor al ser utilizada en C.C. que en C.A. Por ejemplo, una protección diseñada para trabajar en 220 V / 50 Hz (dependiendo del fabricante), al ser utilizada en corriente continua, su tensión nominal de trabajo se reduce en aproximadamente un 36%. (220 (V) C.A. ≈ 80 (V) C.C.).

3.3.3.3.4

En Función de la Altura Sobre el Nivel del Mar

Los disyuntores están fabricados según normas, para responder a sus características nominales en una instalación realizada a una altura de hasta 2000 metros sobre el nivel del mar. Los fabricantes deben entregar tablas de variación de características nominales, en función de los incrementos de la altura de instalación. Como información general se puede indicar que una de las afecciones que sufre la protección, es la disminución de su rigidez dieléctrica, lo que trae como consecuencia un decremento importante de su poder de ruptura.


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Bibliografía de la Unidad

NCH Elec. 4/84, Electricidad, Instalaciones Interiores de Baja Tensión Ministerio de Economía Fomento y Reconstrucción S E N O I

Instituto Nacional de Normalización, Santiago, Chile, 1984 Dossier Technique, Guide Parafoudres


Legrand Legrand SNC, Limoges, France, 2001 Guide Technique, La Distribution de Puissance Legrand Legrand SNC, Limoges, France, 2001



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08_Protección de Las Instalaciones

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