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PROTECCIONES ELÉCTRICAS Clasificación y análisis de las Anormalidades
Fallas Perturbaciones
Efectos de la corriente de cortocircuito
Dinámico Térmico
Consecuencias de las anormalidades en un sistema eléctrico
Concepto de estabilidad del sistema Continuidad del Servicio
ANÁLISIS DE ANORMALIDADES DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS FALLAS Y PERTURBACIONES: Una de las cualidades esenciales de una distribución moderna de energía eléctrica, es la continuidad del servicio. La importancia de las posibles consecuencias de una interrupción, aunque esté limitada a pocos minutos, puede ser considerable tanto para las industrias, fábricas, como también para todo tipo de usuario. De aquí la conveniencia de analizar las anormalidades que ocurren en los sistemas eléctricos. En relación con las consecuencias, las anormalidades que pueden ocurrir en un sistema eléctrico se pueden clasificar en fallas y perturbaciones, cuyas diferencias se desprenden de sus definiciones:
FALLA: Es la cond condiición ción que que “impide continuar” la oper operac aciión de uno uno o más componentes componentes de un sistema y requiere requiere la rápida rápida acción de los esquemas de protecciones protecciones para no dañar a los equipos.
PERTURBACIÓN: Es la condición que “permite continuar” la operación del sistema, pero que puede dañar ciertos equipos si se prolonga más de un tiempo prudente. Tant Tanto o las las fall fallas as como como las las pert pertur urba baci cion ones es debe deben n pode poderr ser ser dete detect ctad adas as y discriminadas por las protecciones de un sistema eléctrico, ya que al ocurrir un defecto en un componente del sistema, significa por lo general, una perturbación para el resto. Al aislar aislar el equipo equipo fallad fallado, o, se elimin eliminaa simult simultáne áneamen amente te la pertur perturbaci bación, ón, con lo cual cual el servicio se normaliza. Entre las fallas, las más comunes son los “cortocircuitos”. Entre otras se pueden mencionar: apertura de conductores, pérdida de excitación de máquinas síncronas, etc. Entre las perturbaciones, las más comunes son las sobretensiones, las sobrecargas, las oscilaciones y los desequilibrios. d esequilibrios.
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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. El cortocircuito puede ser realizado por contacto directo (llamado también cortocircuito metálico) como es el caso de los conductores que se tocan o el toque de un conductor lanzado a una línea aérea. También puede ser causado por el deterioro o ruptura de la aislación, como es el caso de arcos o fugas que degeneran en cortocircuitos. Las causas de los cortocircuitos son múltiples. En BT se 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 picotas, infiltración de humedad a través del envolvente de plomo deteriorado, corroción química y electrolítica, retornos importantes de corriente por él cuando están vecinos a otras líneas eléctricas. En líneas aéreas, los cortocircuitos son más frecuentes y en la mayoría de los casos se deben a rupturas o contaminación de las cadenas de aisladores, cortadura de conductores, balanceo de los conductores por la acción del viento, contacto accidental de la línea con cuerpos extraños (pájaros, ramas, volantines). Otras causas pueden ser: envejecimiento de la aislación, daños de bobinas, falsas maniobras tales como apertura en carga de desconectadores y puesta a tierra de líneas energizadas para efectuar trabajos.
SOBRETENSIONES: Las sobretensiones en un sistema son peligrosas por los siguientes motivos: a) Someten a los aislantes a esfuerzos que los envejecen y pueden llegar a destruirlas. b) En caso de duración prolongada traen como consecuencia daños en los equipos tanto de los usuarios como de generación y transmisión. c) En caso de una falla de un aislante, traen como consecuencia inmediata un cortocircuito. Las sobretensiones de importancia media de 2 o 5 veces. La normal y de muy corta duración (algunos microsegundos) son capaces de perforar los aislantes. Estas sobretensiones se pueden producir por descargas atmosféricas o por apertura de líneas muy largas de alta tensión (switching).
SOBRECARGAS: Una línea o un equipo se encuentra sobrecargado cuando su corriente es superior a la nominal. Las sobrecargas son sobrecorrientes, durables o breves según sea el caso. Las principales causas son: a) Los cortocircuitos que no se aislan oportunamente. b) Los peaje de consumos o de transferencia de potencia en líneas de interconexión, que pueden corresponder a sobrecorrientes superiores a 20 o 30%, durante largo tiempo. c) Sobrecorrientes originadas por desconexiones de circuitos en paralelo, que se pueden prolongar hasta la reposición del circuito desconectado.
OSCILACIONES: Las causas más comunes de aparición de oscilaciones son las desconexiones de circuitos del sistema, al producirse variaciones de potencia. Esto se debe a que los alternadores no toman instantáneamente el ángulo correspondiente a la
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carga, sino después de cierto número de oscilaciones amortiguadas, pudiendo en algunos casos perder su sincronismo (se traduce en sobrecorriente).
DESEQUILIBRIOS: Cuando se producen desequilibrios, es preciso determinar rápidamente au causa, pues constituye una anormalidad muy peligrosa para el funcionamiento de las máquinas. Dentro de las causas más comunes se pueden citar: a) desconectadores o interruptores con una o dos fases abiertas b) ruptura de una línea que no provocó un cortocircuito. Aunque los desequilibrios no provocan manifestaciones violentas, sus consecuencias no deben ser despreciables, ya que producen vibraciones y calentamientos anormales en motores, alternadores y transformadores.
EFECTO DE LOS CORTOCIRCUITOS EN LA ESTABILIDAD DE LOS SIST. En sistemas que interconectan centrales generadoras, al ocurrir cortocircuitos, se disminuye apreciablemente su capacidad de transferencia de potencia, debido a la disminución de los voltajes de suministro y recepción, que sufren esta anormalidad. El tipo de cortocircuito más perjudicial para la estabilidad d e sistemas de interconexión es el trifásico y el menos perjudicial es el monofásico.
SOLICITACIONES EN CORTOCIRCUITOS Cuando se produce un cortocircuito se producen las siguientes solicitaciones en un sistema eléctrico:
Térmicas. Mecánicas.
Estas solicitaciones son función de la corriente y para el cálculo se utilizan diferentes valores. Para evaluar el efecto térmico se usa el valor eficaz de la corriente momentánea ( primer ½ ciclo ), en cambio para calcular el esfuerzo mecánico sobre equipos o estructuras se usa el valor máximo de la corriente momentánea. Esfuerzos mecánicos. Cuando por dos conductores paralelos circula una corriente estos quedan sometidos a esfuerzos mecánicos debido a la interacción de las corrientes y el campo magnético. Tales esfuerzos dinámicos, son directamente proporcionales a la corriente que transportan e inversamente proporcional a la distancia. Cuando se produce un cortocircuito, los esfuerzos dinámicos toman un valor importante, y cuando esta actúa sobre elementos empotrados, tales fuerzas tienden a destruir los apoyos ( aislador soporte de barras en tableros de distribución ), por tal motivo es necesario calcular dicho valor. En la figura N° 1 se muestra el efecto de la corriente de cortocircuito en la base de los apoyos.
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Figura N° 1 Efecto de la fuerza de corrientes de cortocircuito en conductores paralelos. En circuitos de corriente alterna, la intensidad de la corriente varia según una expresión sinusoidal. La fuerza que actúa entre los conductores varía, por lo tanto, conforme al cuadrado de la función sinusoidal. Como consecuencia, si el cortocircuito dura mas de un periodo, los conductores son sometidos a un esfuerzo mecánico, cuya fuerza equivale al doble de la frecuencia de la red, F(t) (t)
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F(t) 1.5
1
0.5
0
-0.5
i(t) -1 0
0.05
0.1
0.15
0.2
Tiempo ( seg )
Figura N° 2 Fuerza pulsante F provocada por la corriente . La fuerza ejercida sobre los apoyos para conductores cilíndricos es la mostrada en la ecuación (1.1).
F Kg
2.401 10
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I2 l d
( 1.1) Donde: ANSI es el es Is.
I [A] es el valor de cresta o máximo por fase. Para el estándar máximo valor de la corriente asimétrica Ip y para IEC l [ m ] es la separación entre apoyos.
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d [ m ] es la separación entre centros de los conductores. Cuando las barras son rectangulares como se muestra en la figura N° 5.13, la fuerza se expresa como ( 1.2).
F Kg
2.041 10
8
b 2 d2 2 b tg d Ln d d2
l I 2 b
1b
2
( 1.2)
Las variables indicadas en la fórmula (1.2), son los mismos que la (1.1), excepto que la arco-tangente debe estar expresado en radianes y b la altura de la barra en [ m ].
Figura N° 3 Configuración de barras rectangulares . Además se debe verificar que la flecha máxima de la barra en caso de cortocircuito no comprometa las mínimas distancias dieléctricas entre barras o barras y tierra. En la figura N° 1 se muestra físicamente la distancia de la flecha. Para el cálculo de la flecha se utiliza la siguiente formula (1.3).
f cm
2.604 10
3
F
l
3
E J
(1.3)
Donde:
F [ Kg ] l [ cm ]
: Fuerza ejercida sobre conductores. : Separación entre apoyos.
E [ Kg/cm2 ] : Modulo de elasticidad. : Momento de inercia de la barra. J [ cm4 ] Para el calculo del momento de inercia en tableros y subestaciones, se utilizan generalmente secciones circulares o rectangulares, para ello se indica la forma de cálculo de J en la expresión (1.4) y (1.6) respectivamente.
J cm
4
r
4
4
(1.4)
6
J cm
4
h3 b 12
(1.5)
Donde:
r[cm] b[cm] h[cm]
Radio del tubo . Ancho. Altura.
SOLICITACIONES TERMICAS: En base a la corriente de cortocircuito :
bajo condiciones de cortocircuito, la temperatura del cable aumenta rápidamente, y si la falla no es despejada se producirá la rotura permanente del aislante. IPCEA recomienda para cada tipo de aislación un límite de temperatura transitoria de cortocircuito, que no debe durar más de 10 segundos. El comportamiento térmico de un cable bajo condiciones de cortocircuito se puede predeterminar a través de fórmulas. Las fórmulas para verificar la adecuada sección para el caso más desfavorable son las siguientes:
I
2
t = 0,0297 log 10
CM
I CM
T2 +234
( 3.8)
T1 +234
2
t = 0,0125 log10
T 2 + 228
( 3.9 )
T1 + 228
en que: t I CM T1
es la duración de la corriente de cortocircuito. es el valor RMS de la corriente de cortocircuito. es la sección del cable en circular mils. es la temperatura inicial en grados Celcius.
T2
es la temperatura final en grados Celcius.
La expresión ( 3.8 ) es válida para conductores de cobre y la ( 3.9 ) para conductores de aluminio. Estas mismas fórmulas se encuentran en tabuladas en gráficos, que son más fáciles de utilizar.
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MÉTODOS PARA DETERMINAR LA OCURRENCIA DE ANORMALIDADES: El funcionamiento anormal de un sistema o de uno de sus componentes, se puede detectar por los fenómenos eléctricos y físicos que se presentan en estos casos. La discriminación debe ser entre: Condiciones de funcionamiento normal y anormal del sistema. Fallas y perturbaciones y Tipos de fallas, en algunos casos, está entregada a los esquemas de protecciones. Así, los fenómenos que pueden aparecer al ocurrir anormalidades son:
a) Aumento de la corriente: En general, un cortocircuito se traduce en un aumento de la corriente sobre su valor normal, constituyendo el método más sencillo de protección denominado “sobrecorriente”.
b) Disminución del voltaje: Se emplea ampliamente para proteger motores y aparatos que sufran daños al trabajar a voltajes inferiores al nominal.
c) Aumento del voltaje: El aumento del voltaje sobre su valor nominal, es en general, peligroso para todos los componentes de un sistema eléctrico y en especial para las máquinas. Como la causa más común de sobrevoltaje, proviene de alternadores, se emplea justamente en estas máquinas. También es posible que se presenten sobretensiones debido al efecto Ferranti, de líneas de alta tensión en vacío.
d) Aumento de la temperatura: El aumento de temperatura se emplea para proteger contra sobrecargas a las máquinas. En transformadores de poder se usan las protecciones llamadas “ imagen térmica”, con los cuales se trata de medir indirectamente la temperatura de enrollados. Consta básicamente de un detector de temperatura que mide la del aceite superior.
e) Comparación de corrientes: Funciona básicamente con el principio de que la corriente que entra y sale, debe cumplir una relación bien determinada. Al ocurrir un cortocircuito en estas zonas, se pierde la relación anterior, lo que se utiliza para utilizar protecciones llamadas “diferenciales”. Están limitados por la distancia entre los dos puntos de medida.
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f) Variación del flujo de la potencia: La variación de la magnitud y del sentido de la potencia se puede usar en forma combinada o por separado. La variación del sentido de la potencia se usa en algunos casos para impedir el trabajo de un alternador como motor síncrono.
g) Disminución de la impedancia o reactancia: Mediante la información de voltajes y corrientes y de circuitos o elementos auxiliares, se alimentan relés de protección que miden en todo instante la impedancia y/o reactancia por fase en el sentido de su operación, y operan cuando esta baja de un cierto valor conforme a su curva característica. A estas protecciones se las llama “direccionales de distancia” y se emplean en líneas de transmisión.
h) Aparición de voltajes y corrientes de secuencia cero: Mediante la conexión de transformadores de medida es posible obtener corrientes y voltajes de secuencia cero (residuales) en sistemas conectados a tierra, al producirse fallas con retorno por tierra. Se les llama “ protecciones
de sobrecorriente residual” i) Aparición de componentes de secuencia negativa: A pesar de que las componentes simétricas constituyen parte de un método de resolución analítica de circuitos polifásicos, con filtros de secuencia, es posible separar dichas componentes. La componente de secuencia negativa es especialmente peligrosa en los motores de máquinas síncronas, ya que induce corrientes parásitas de doble frecuencia y, por lo tanto, calentamiento.
j) Velocidad de variación de la impedancia: La condición anormal de funcionamiento la hemos dividido en falla y perturbación. Entre las fallas, la más común es el cortocircuito. Al ocurrir un cortocircuito, el valor de la impedancia entre los puntos de medida y falla baja instantáneamente al valor correspondiente del sistema incluido entre estos dos puntos. En cambio, al ocurrir perturbaciones, el valor de la impedancia varía de magnitud y fase en forma más o menos periódica. Esta particularidad se emplea en esquemas destinados a evitar (bloquear) la orden de apertura de interruptores, que han sido comandados por protecciones que miden la impedancia y/o reactancia.
4.- Confiabilidad:
El sistema de protecciones debe dar seguridad de que va a actuar en todos los casos en que se necesite, operando de acuerdo con todas las características originales. Esta característica es de las más importantes si se considera que hay algunas protecciones que pasan gran parte de su vida útil sin operar, por estar protegiendo
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equipos que son inherentemente muy seguros. Tiene relación directa con la calidad de los equipos utilizados y con la mantención que se les haga.
