Capítulo IX PROTECCION DE MOTORES n este capítulo se presentarán los esquemas básicos de protección recomendados para motores eléctricos de inducción en baja tensión (BT) y en mediana tensión (MT)1.
E
Rangos de los niveles de voltaje de operación de motores. Como se mencionó anteriormente, la clasificación por voltaje, de operación en motores de C.A., establece dos niveles: 1) Baja tensión (BT): voltajes de operación hasta de 600 volts (127, 220 y 440 volts). 2) Mediana tensión (MT): voltajes de operación hasta 5 kV (2300, 4000 y 4160 volst) y 13.8 kV) y mayores de 5 kV (6,600 y 13,200 volts)2.
Esquemas básicos de protección para motores en BT. Los voltajes de operación más comunes para motores en BT son: 127 V para máquinas monofásicas, 220 V y 440 V para las trifásicas. Siendo los motores de inducción tipo jaula de ardilla los de uso más generalizado, a continuación se presentan algunas opciones de esquemas básicos de protección para ellos. En dichos esquemas se han incorporado dispositivos para cubrir los requisitos mínimos de protección, que establecen las normas y reglamentos en sus artículos correspondientes a la protección de motores en BT. Las fallas eléctricas más comunes en este tipo de motores son: 1) Sobrecarga(sc).
Esquema básico de protección. Cuando se habla de esquema básico de protección, se refiere a la recomendación de un conjunto mínimo de dispositivos para que los elementos de una red eléctrica, en este caso en particular los motores, cumplan con ciertos requisitos mínimos que establecen las normas y reglamentos en sus artículos referentes a la protección contra fallas eléctricas típicas.
1
NMX-J-098-1994-ANCE. Tensiones Normalizadas. NMX-J-098-1994-ANCE. Normas mexicanas mexicanas ANCE. CONANCE. CONANCE. 2 NMX-J-075/2-1994-ANCE. Aparatos EléctricosMáquinas Rotatorias Parte 2: Motores de corriente Alterna del tipo de Rotor en Cortocircuito, en Potencias Grandes-Especificaciones. Normas mexicanas ANCE. CONANCE.
2) Cortocircuito(cc), en cualquiera de sus modalidades: trifásico, bifásico o de fase a tierra. La condición de sobrecarga se debe interpretar como una sobrecorriente de magnitud moderada que suele tener como origen una demanda de par mayor al nominal del motor, y que si esa condición se establece durante un periodo de tiempo suficientemente prolongado, puede dañar por efecto de sobrecalentamiento a la máquina. Es importante hacer la notar que las normas y reglamentos permiten la omisión del dispositivo que protege la falla por sobrecarga, en aquellos casos en que existan peligros mayores que el riesgo de daño al propio motor; tal es el caso de la
PROTECCIÓN DE MOTORES falta de continuidad de servicio en las bombas contra incendio operadas con motor eléctrico.
DISPOSITIVO 2
Los diagramas unifilares de las figuras IX.1 (a) y (b) nos muestran los esquemas básicos de protección de uso más generalizado en motores de inducción tipo jaula de ardilla en BT. Cada uno de los dispositivos que los integran han sido identificados con un código numérico encerrado en un hexágono, y será la referencia para describir todas sus características.
DISPOSITIVO 3
2
3
Interruptor en caja moldeada termomagnético (vea el capítulo II).
tipo
Interruptor de navajas equipado con fusibles (vea el capítulo V).
Esquemas básicos de protección para motores en mediana tensión. Los diagramas unifilares de las figuras IX.1, IX.2 y IX.3 muestran los esquemas básicos de protección de uso más generalizado para motores de C.A. en MT (2.4, 4.16 y 13.8 kV) y establecen tres categorías:
1. Para motores con capacidad por debajo 2.
C
C 1
OL
OL
1 M (a )
M
(b )
de 1500 HP. Para motores con capacidad de 1500 HP y mayores.
Los dispositivos de protección que integran los esquemas pueden dividirse por su función y de manera general en tres grupos:
1. Contra
elevación de temperatura originada por sobrecarga o rotor bloqueado.
2. Contra fallas de cortocircuito en las modalidades trifásica y de fase a tierra.
FIGURA IX.1 Esquemas
básicos de protección para motores de inducción tipo jaula de ardilla en baja tensión.
Especificación de los dispositivos indicados en la figura IX.1
DISPOSITIVO 1 Relevador térmico de sobrecarga tipo aleación fusible o tipo bimetálico (vea el capítulo VI).
3. Contra algunas condiciones anormales de operación, como: bajo voltaje, inversión de fases (secuencia inversa), arranques frecuentes, desbalanceo, alta velocidad en recierre, pérdida de excitación y fuera de paso; éstas dos últimas de manera particular para los motores síncronos.
SISTEMAS DE POTENCIA III
V. AYALA
DISPOSITIVO 1
F
A
Tres fusibles limitadores de corriente de alta capacidad interruptiva en MT para protección de la falla de cortocircuito trifásico (vea el capítulo V), combinado con un interruptor llamado de aislamiento.
1
1
C
a c
B
b
DISPOSITIVO 47
C
2 TP 3
3
51 1
Un relevador de secuencia de fases con característica de respuesta con disparo instantáneo, para asegurar que el motor sólo gire en una dirección determinada.
1 49
ó 27 1
1
DISPOSITIVO 27
50 G
Un relevador de bajo voltaje con característica de respuesta con retardo de tiempo, ajustado a un valor apenas por arriba del valor de voltaje que se presenta durante el arranque del motor, que permite absorber la caída de tensión normal que se produce sólo durante el tiempo que dura el arranque.
1 47
M Figura IX.2 esquema básico de protección para motores en media tensión (2.4 y 4.16 KV) y con capacidades menores de 1500 HP (1a. Alternativa)
DISPOSITIVO C Un contactor magnético en aire o en vacío, que funciona como medio de conexión y desconexión del motor a la fuente de alimentación.
DISPOSITIVO 50G Un relevador de sobrecorriente con característica de disparo con respuesta instantánea, generalmente ajustado al valor de tap mínimo disponible (0.25 A en el caso de la versión electromecánica). Protege contra falla a tierra alimentado desde un transformador de secuencia cero, (vea el capítulo VIII).
DISPOSITIVO F Tres fusibles clase 5 kV para protección de los transformadores de potencial TP.
DISPOSITIVO TP Dos transformadores de potencial con relación 2.4 ó 4.16 kV (según sea el caso) a 120 V, conectados en delta abierta-delta abierta.
DISPOSITIVO 51 ó 49 Tres relevadores de sobrecorriente con característica de respuesta con retardo de tiempo, para proteger la falla de sobrecarga (vea el capítulo VIII). Se usan tres unidades 51 monofásicas o como 2ª opción un relevador térmico trifásico de sobrecarga tipo bimetálico de temperatura compensada designado como un dispositivo 49 (vea el capítulo VI).
DISPOSITIVO M Motor de menos de 1500 HP en MT.
IX- 3
PROTECCIÓN DE MOTORES instantáneo, para asegurar que el motor sólo gire en una dirección determinada. F
A
a c
DISPOSITIVO 27
52
C B b
3
3
2 TP
1
50 51
1
1
50 G
27
M 1 47
Figura IX.3 esquema básico de protección para motores en media tensión (2.4 y 4.16 KV) y con capacidades menores de 1500 HP (2a. Alternativa)
Un relevador de bajo voltaje monofásico con característica de respuesta con retardo de tiempo, ajustado a un valor apenas por arriba del valor de voltaje que se presenta durante el arranque del motor, que permite absorber la caída de tensión normal que se produce sólo durante el tiempo que dura el arranque. DISPOSITIVO 52
Interruptor de potencia trifásico con operación de contactos en aire o en vacío, para conexión y desconexión del motor a la fuente de alimentación.
DISPOSITIVO F
Tres fusibles clase 5 kV para protección de los transformadores de potencial TP.
DISPOSITIVO 50G Un relevador de sobrecorriente con característica de disparo con respuesta instantánea, generalmente ajustado al valor de tap mínimo disponible (0.25 A en el caso de la versión electromecánica). Protege contra falla a tierra alimentado desde un transformador de secuencia cero, (vea el capítulo VIII).
DISPOSITIVO TP
Dos transformadores de potencial con relación 2.4 ó 4.16 kV (según sea el caso) a 120 V, conectados en delta abierta-delta abierta.
DISPOSITIVO 50/51
DISPOSITIVO M
Tres relevadores de sobrecorriente con unidad 50 con característica de disparo instantáneo para proteger la falla de cortocircuito trifásico, y una unidad 51 con característica de respuesta con retardo de tiempo para proteger la falla de sobrecarga (vea el capítulo VIII).
Motor de menos de 1500 HP en MT.
DISPOSITIVO 47 Un relevador de secuencia de fases con característica de respuesta con disparo
SISTEMAS DE POTENCIA III
V. AYALA
transformador de secuencia cero, (vea el capítulo VIII).
2.4 KV 4.16 KV Y MAYORES
DISPOSITIVO 50/51
52
F
Tres relevadores de sobrecorriente con unidad 50 con característica de disparo instantáneo para proteger la falla de cortocircuito trifásico, y una unidad 51 con característica de respuesta con retardo de tiempo para proteger la falla de sobrecarga (vea el capítulo VIII).
A B a
2 TP
b
C
3
3 50 51
c 1
1
1 50 G
27
DISPOSITIVO 47 M
1
47
Un relevador de secuencia de fases con característica de respuesta con disparo instantáneo, para asegurar que el motor sólo gire en una dirección determinada.
1
49 FIGURA IX.4 ESQUEMA BASICO DE PROTECCIONES PARA MOTORES EN MEDIA TENSION (2.4 Y 4.16 KV) Y CON CAPACIDADES MAYORES DE 1500 HP (APLICABLE TAMBIEN A MOTORES QUE OPERAN EN VOLTAJES MAYORES)
DISPOSITIVO 27 Un relevador de bajo voltaje monofásico con característica de respuesta con retardo de tiempo, ajustado a un valor apenas por arriba del valor de voltaje que se presenta durante el arranque del motor, que permite absorber la caída de tensión normal que se produce sólo durante el tiempo que dura el arranque.
Especificación de los dispositivos indicados en la figura IX.4:
DISPOSITIVO 49 Un relevador llamado de imagen térmica para proteger al motor contra sobreelevación de temperatura en los devanados del estator, debido a fallas en: el sistema de ventilación, alta temperatura ambiente o sobrecarga. El ajuste se realiza tomando en cuenta la temperatura máxima de operación a la cual puede operar el motor en forma segura, generalmente entre 50º y 190º. La señal de temperatura la recibe directamente desde un juego de termopares instalados en los devanados del estator del motor.
DISPOSITIVO 52
Interruptor de potencia trifásico con operación de contactos en aire o en vacío, para conexión y desconexión del motor a la fuente de alimentación. DISPOSITIVO F
Tres fusibles clase 5 kV para protección de los transformadores de potencial TP. DISPOSITIVO TP
Dos transformadores de potencial con relación 2.4 ó 4.16 kV (según sea el caso) a 120 V, conectados en delta abierta-delta abierta.
DISPOSITIVO 50G Un relevador de sobrecorriente con característica de disparo con respuesta instantánea, generalmente ajustado al valor de tap mínimo disponible (0.25 A en el caso de la versión electromecánica). Protege contra falla a tierra alimentado desde un
DISPOSITIVO M
Motor de más de 1500 HP en MT.
IX- 5
PROTECCIÓN DE MOTORES
Criterios normalizados para el ajuste de los dispositivos de protección contra las fallas de sobrecarga y cortocircuito trifásico, aplicables a los esquemas básicos para motores de BT y MT. El hablar de los criterios para definir los ajustes de los dispositivos de protección contra sobrecarga y cortocircuito trifásico, implica abordar el tema correspondiente al Estudio de Coordinación de Protecciones de Sobrecorriente, el cual será tratado en forma más detallada posteriormente; sin embargo, resulta de interés que en esta sección se establezcan las referencias generales con el objeto de ilustrar, mediante el desarrollo de ejemplos, los procedimientos aplicables a motores. Esto sin lugar a dudas, facilitará la tarea cuando se resuelvan casos en los que un motor forme parte de una red eléctrica integrada a partir de diversos tipos de equipos, tales como: transformadores, alimentadores (barras o conductores aislados o desnudos), y generadores, entre otros, para los cuales se realice el estudio antes mencionado. A continuación se presentan el procedimiento y un formato que facilitará su aplicación.
Procedimiento para definir los ajustes de los dispositivos de protección contra sobrecorrientes en motores.
3) Considerar el factor de servicio del motor, para calcular el “disparo térmico” y definir el ajuste de la protección contra sobrecarga. 4) Seleccionar, ajustar y vaciar las curvas características de respuesta de los dispositivos de protección
1) Curva del perfil de operación normal del motor. Para trazar esta curva se requiere de la siguiente información específica del motor: • • • • •
Corriente de plena carga o corriente nominal (I NOM). Corriente de arranque (IA). Tiempo de arranque (tA). Corriente de magnetización (IMAG). Tiempo de magnetización (tMAG)
Corriente de plena carga o corriente nominal (I NOM). Es la corriente de placa del motor, y se refiere al valor que el motor toma de la línea de alimentación cuando está entregando su par nominal (potencia nominal). Cuando por alguna razón no se dispone de la placa de datos del motor, se sugiere consultar al fabricante, o como tercera opción calcularla a partir de la siguiente expresión matemática: I PC =
Se deben seguir los pasos:
1) Trazar la curva correspondiente al perfil de operación normal del motor.
2) Trazar el punto MST (del inglés Motor Stall Time), que representa el tiempo máximo de atascamiento que soporta el motor antes de fallar.
HP x 0.746
3 x FP x Ef x KV
(1.IX)
Donde: HP = Capacidad del motor en caballos de fuerza. FP = Factor de potencia del motor. Ef = Eficiencia del motor. kV = Voltaje de operación del motor. La cuarta opción es obtener el valor a partir de tablas como la del Apéndice I, en las que se
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V. AYALA
ingresa con los HP, el voltaje de operación y la velocidad nominal de motor.
FM
Corriente de arranque (IA) o de rotor bloqueado (Irb).
MT(más de 600 V) 1.76
Tabla 2.IX Valores normalizados para FM
La corriente de arranque y su magnitud puede ser de 4 hasta 10 veces la corriente nominal, este ultimo valor para motores que manejan cargas con alto par de inercia. Se recomienda manejar el valor real de la corriente de arranque, ya que se utiliza como una referencia importante para definir los ajustes de los dispositivos de protección de sobrecorriente. Cuando se desconoce la letra de código NEMA (vea el Apéndice II)de la placa de datos del motor puede utilizarse para determinarla. Como ya se dijo su valor suele expresarse como un múltiplo del valor de la corriente nominal; por ejemplo, un valor típico es 6 veces la corriente nominal o de plena carga, es decir: IA = 6 * I NOM (2.IX)
Tiempo de magnetización (tMAG) Se refiere al periodo de tiempo que requiere el motor para que se excite su circuito magnético. Las normas han adoptado un valor único para motores en cualquier nivel de voltaje; así se tiene que:
tMAG = 0.1 segundos
(5.IX)
Trazo de la curva del perfil de operación normal del motor. El trazo de la curva se realiza sobre una hoja con escalas logarítmicas en los ejes horizontal (corrientes en amperes) y vertical (tiempo en segundos. El eje vertical o de las ordenadas con 5 ciclos logarítmicos, cuyos valores mínimo y máximo son 0.01 y 1000 segundos respectivamente. El eje horizontal o de las abscisas tiene 4.5 ciclos, que van desde 0.5 hasta 100000 amperes. También el la hoja se indica el voltaje al cual están referidas las magnitudes de corrientes trazadas.
Tiempo de arranque (tA). Se refiere al periodo de tiempo en el que permanece constante la magnitud de la corriente de arranque. Este tiempo puede variar según las características del motor y de la carga, y suele estar entre 4 y hasta 10 segundos. Valor típico 6 segundos.
Corriente de magnetización (IMAG).
2) Zona Time).
La corriente de magnetización es aquella que circula por los devanados del estator en el momento en que el motor se conecta a la fuente de alimentación, y que tiene como finalidad excitar el circuito magnético de la máquina. Se determina a partir de la IA y de un valor denominado factor de magnetización (FM), el cual, como se indica en la tabla 1.IX, depende del nivel de voltaje de operación del motor, es decir:
IMAG = FM * IA
BT(menos de 600 V) 1.5
del punto MST ( Motor Stall
Se refiere al tiempo máximo de atascamiento permitido para el rotor de un motor, el cual representa un punto de la curva de límite de calentamiento definido 2 por la I t a la corriente de rotor bloqueado. Este valor es proporcionado por el fabricante del motor en forma de coordenadas (IMST;tMST).
(3.IX)
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PROTECCIÓN DE MOTORES
Factor de servicio (Fs). Es una característica del motor que se indica en la placa de dato, y que se debe interpretar como la sobrecarga máxima, en términos de la corriente nominal, que el motor puede tolerar sin dañarse. Los valores típicos para este factor son: 1.0, 1.15, y 1.25. Así, cuando se dice que un motor tiene un FS = 1.15, se interpreta que el motor podrá soportar una sobrecarga sostenida, equivalente a 1.15 veces su corriente nominal Por lo que el disparo térmico o ajuste de la protección contra sobrecarga, deberá ser como máximo, ese valor en amperes trazado en la hoja logarítmica para un tiempo de 1000 segundos, aunque como se puede observar en la tabla. 2.IX las normas permiten un margen adicional.
Limite NEC. Este se refiere al valor máximo de disparo permitido para la protección contra sobrecarga, y se calcula mediante el factor F NEC, cuyo valor se obtiene de la tabla siguiente:
CONSIDERACIONES Si FS
1.15 ó T ≤ 40 ºC Todos los demás ≥
F NEC
(% de la I NOM)
140 130
Fuente: National Electric Code (1999). USA. Artículo 430-34, p. 70-265
Tabla 2.IX Valores normalizados de F NEC
5) Selección, ajuste y vaciado de las curvas características de respuesta de los dispositivos de protección. Para seleccionar los tipos de dispositivos de protección, se recomienda consultar los
esquemas básicos de protección que se aplican a diferentes niveles de voltaje comentados anteriormente. Por lo que aquí solo trataremos lo referente al los criterios de ajuste y el vaciado de las curvas características de respuesta.
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Figura IX.5 CURVA DE CAPACIDAD TERMICA DE UN MOTOR
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