COORDINACIÓN DE PROTECCIONES PARA UN SISTEMA ELÉCTRICO INDUSTRIAL

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA COORDINACIÓN DE PROTECCIONES PARA UN SISTEMA ELÉCTRICO INDUSTRIAL T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA P R E S E N T A N ROMÁN GALVÁN HERNÁNDEZ FRANCISCO JAVIER ROSAS REYES JORGE SANTANA GARCÍA ASESORES: Dr. DAVID SEBASTIÁN BALTAZAR M. en C. RENÉ TOLENTINO ESLAVA MÉXICO, D.F. DICIEMBRE 2009

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3 AGRADECIMIENTOS

4 ÍNDICE RESUMEN... i INTRODUCCIÓN...ii OBJETIVO...iv RELACIÓN DE FIGURAS... v RELACIÓN DE TABLAS...ix CAPÍTULO I PROTECCIONES PARA UN SISTEMA ELÉCTRICO 1.1 Generalidades de los fusibles Clasificación de los fusible Curvas características de los fusible Relevadores de protección Interruptores termomagnéticos y electromagnéticos...25 CAPÍTULO II CÁLCULO DE CORTOCIRCUITO 2.1 Clasificación de las fallas eléctricas industriales Fuentes y comportamiento transitorio de las corrientes de cortocircuito Fuentes que contribuyen a la falla Reactancia de las máquinas rotatorias Criterios de aplicación en la selección de protecciones Características de los dispositivos de protección Esquemas de protección Método de valores en por unidad para el cálculo de corrientes de cortocircuito Cambio de base para los valores en por unidad Cálculos de las corrientes de falla trifásicas del sistema Cálculos de las corrientes de falla monofásicas del sistema...58 CAPÍTULO III SELECCIÓN DE PROTECCIÓN PARA EQUIPOS ELÉCTRICOS 3.1 Transformadores Curva ANSI. (American National Standard Institute)...62

5 3.1.2 Limites NEC (National Electric Code) Selección de protección de los Transformadores Motores eléctricos Protección de motores Curvas de arranque Selección de protección en los motores eléctricos Conductores eléctricos Protección de conductores eléctricos Curvas de daño de conductores eléctricos Selección de protecciones de los cables CAPÍTULO IV COORDINACIÓN DE PROTECCIONES 4.1 Coordinación de protecciones en un sistema eléctrico industrial Coordinación fusible relevador Coordinación relevador fusible Coordinación fusible fusible Coordinación fusible interruptor Coordinación relevador relevador Coordinación de protecciones para la protección de equipos eléctricos Simulación software Digsilent Power Factory versión Comparación de resultados CONCLUSIONES REFERENCIAS ANEXO A Curvas tiempo corriente de dispositivos de protección ANEXO B Selección de protecciones ANEXO C Coordinación de protecciones por graficación ANEXO D Coordinación de protecciones con Digsilent Power Factory

6 RESUMEN En el presente trabajo se analizó la coordinación de protecciones para un sistema eléctrico industrial, donde se requirieron diferentes tipos de dispositivos de protección para la detección y mitigación de las condiciones de falla, en el cual los dispositivos de protección deben de ser dimensionados y coordinados de tal forma que solo debe de operar el dispositivo de protección que se encuentre más cerca a la falla, si por alguna razón el dispositivo no opera, entonces debe de operar el siguiente. Se realizó el estudio de cortocircuito para conocer las corrientes máximas que circulan encada uno de los elementos del sistema en caso de alguna falla, Los resultados de dicho estudio permiten evaluar y especificar la capacidad de los equipos de maniobra responsables de despejar las corrientes de falla (fusibles, interruptores y relevadores), analizar los niveles de corriente de falla a los que estarán expuestos los componentes del sistema (transformadores, cables, motores), y son insumos para los ajustes y coordinación de las protecciones. La coordinación de protecciones tiene como objetivo verificar la configuración de los esquemas de protección, analizar los ajustes existentes y determinar los ajustes que garanticen despejar selectivamente las fallas en el menor tiempo posible. El procedimiento de coordinación de protecciones, consiste en el análisis grafico donde se involucran las curvas características de los dispositivos de sobrecorriente que se encuentran en serie, para poder así garantizar que el sistema es selectivo. En base a los estudios realizados, podemos concluir que se obtuvo la coordinación de protecciones para un sistema eléctrico industrial que garantiza la correcta operación de los diferentes dispositivos de protección del sistema cuando se presente una falla, garantizando así que los equipos no sufran daño alguno, o que el daño sea mínimo, salvaguardando la integridad humana que se encuentren en el entorno y garantizando la continuidad de producción de dicha industria. i

7 INTRODUCCIÓN La evolución social, cultural y económica de la humanidad está relacionada íntimamente con el dominio de la energía eléctrica, la cual es la principal herramienta que utiliza el hombre para su desarrollo. Por otra parte, la creciente tendencia a un automatismo de los procesos industriales y las actividades comerciales exigen cada vez más un suministro de energía con alto grado de confiabilidad, es por ello que se requiere de un sistema de protecciones para evitar o detectar de manera oportuna una situación anormal o de falla. La prevención de la lesión humana es el objetivo más importante de un sistema eléctrico de protección, la seguridad del personal tiene prioridad aún por encima del equipo o maquinaria, por lo cual al seleccionar un equipo de protección este debe poseer una capacidad de interrupción adecuada para no exponer al personal a explosiones, fuego, arcos eléctricos o descargas. Un dispositivo de protección también debe tener la capacidad de actuar con rapidez ante una falla, asimismo debe ser capaz de minimizar la corriente de cortocircuito y aislar la porción afectada, para impedir que el daño se propague a todo el sistema eléctrico, y de esta manera evitar que los daños sean considerables. Actualmente los dispositivos de protección para un sistema eléctrico industrial son los interruptores termomagnéticos, interruptores electromagnéticos, relevadores de sobrecarga, relevadores diferenciales así como los fusibles. Cada uno de las protecciones son utilizadas para resguardar los equipos que integran al sistema industrial los cuales pueden ser los transformadores, motores y cables. Para evitar una condición anormal del sistema eléctrico industrial se emplea la coordinación de protecciones, cuya característica es hacer más seguro al sistema de protección, mediante el arreglo y combinación de dispositivos de protección para detectar y liberar la falla en el menor tiempo posible. ii

8 La coordinación de protecciones consiste en procurar que los dispositivos de protección sean selectivos, es decir que solo debe operar el dispositivo de protección que se encuentre más cerca a la falla, si por alguna razón el dispositivo no opera, entonces debe de operar el siguiente. Para lograr una operación selectiva, se debe de tener cuidado de seleccionar los dispositivos de protección, con las características interruptivas apropiadas y el conocimiento de sus curvas tiempo corriente, de cada uno de los dispositivos de protección a emplear, siendo de esta manera que en el capítulo uno se presentan algunos dispositivos de protección los cuales son empleados para la protección de sistemas industriales y comerciales. Cuando no se realiza una coordinación correcta, se presenta un desempeño insatisfactorio e inadecuado, que no satisface los requerimientos de seguridad necesarios, produciendo daños al equipo y componentes del sistema eléctrico además de generar pérdidas económicas. Por tal motivo, la finalidad de este proyecto, es proporcionar la información necesaria para que el usuario pueda seleccionar las protecciones adecuadas para su instalación o sistema eléctrico por medio de coordinación de protecciones; tomando en cuenta el nivel de tensión eléctrica. Otro de los aspectos importantes que se desea con este trabajo es la de proporcionar los elementos fundamentales de información, como apoyo en la manera y metodología para realizar la selección y coordinación de las protecciones que se desean instalar en el sistema eléctrico. La coordinación se llevo a cabo en un sistema eléctrico industrial conectado a un nivel de tensión de 13,8 kv, fue necesario seguir las recomendaciones de la IEEE Std (1986, 2001.), para la protección y coordinación de un sistema eléctrico industrial y comercial, de esta manera se verificaron los parámetros necesarios para obtener un buen desempeño de los dispositivos de protección. Se implemento el uso de un software especializado para estos fines de nombre Digsilent Power Factory Versión Para comparar los resultados obtenidos y verificar que fueran correctos además se emplearon curvas tiempo corriente obtenidas de los fabricantes, para cada uno de los equipos utilizados. iii

9 La metodología seguida se presenta en los cuatro capítulos que conforman este trabajo. El capítulo uno presenta todas las características con las cuales debe contar un dispositivo de protección empleado para la protección. En el capítulo dos se presenta el estudio de cortocircuito, para el cual es necesario contar con el diagrama unifilar, una vez que se obtiene se calculan las corrientes de cortocircuito en cada uno de los puntos que se protegerá. Una vez que se conocen los valores de corriente de cortocircuito, los dispositivos de protección deben ser seleccionados de tal forma que sean capaces de librar la falla de cortocircuito, esto se presenta en el capítulo tres. Finalmente se procede a la coordinación mediante el empleo de las curvas tiempo corriente de los equipos de protección y conociendo las curvas de daño de los equipos a proteger, esto se presenta en el capítulo cuatro junto con la comparación de los resultados obtenidos mediante la coordinación analítica junto con los obtenidos a partir del software. OBJETIVO Coordinar un sistema de protecciones para una red eléctrica industrial. iv

10 RELACIÓN DE FIGURAS CAPÍTULO 1 Fig. 1.1 Partes de un fusible... 1 Fig. 1.2 Clasificación de los fusibles... 3 Fig. 1.3 Fusible de simple expulsión tipo XS S&C Electric Mexicana... 5 Fig. 1.4 Fusible de tres disparos... 6 Fig. 1.5 Fusible de vacío... 6 Fig. 1.6 Fusibles del tipo limitador de corriente AREVA T&D para 1200 A... 7 Fig. 1.7 Fusibles en hexafluoruro de azufre (SF 6 )... 8 Fig. 1.8 Fusible tipo SM S para 20 ka S&C Electric Mexicana... 9 Fig. 1.9 Curva promedio, tiempo corriente Fig Efecto limitador de corriente de los fusibles Fig Acción característica del fusible limitador de corriente Fig Esquema básico de un relevador de protección Fig Relevadores de atracción electromagnética Fig Relevador de inducción electromagnética Fig Relevador de sobrecorriente estático trifásico instantáneo y de tiempo Fig Relevador digital de sobrecorriente Fig Curvas características de relevadores de sobrecorriente microprocesador Fig Acción del interruptor con disparo térmico Fig Acción del interruptor con disparo magnético Fig Acción del interruptor termomagnético Fig Curva del interruptor termomagnético para 250 A de Schneider Electric Fig Interruptores termomagnéticos industriales CAPÍTULO 2 Fig. 2.1 Condición de operación de un motor: a) Normal, b) Falla Fig. 2.2 Corriente de cortocircuito en un motor síncrono Fig. 2.3 Corriente de cortocircuito producida por un generador Fig. 2.4 Variación de corriente de cortocircuito de una máquina rotatoria Fig. 2.5 Diagrama unifilar del sistema eléctrico industrial Fig. 2.6 Diagrama equivalente de impedancias Fig. 2.7 Diagrama de impedancias de la secuencia positiva õ en por unidad Fig. 2.8 Reducción para obtener impedancia õ de Thévenin en barra v

11 Fig. 2.9 Diagrama de impedancias de la secuencia cero ð en por unidad Fig Reducción para obtener impedancia ð de Thévenin en barra CAPÍTULO 3 Fig. 3.1 Curva ANSI para transformadores Fig. 3.2 Curva de daño y energización de un motor Fig. 3.3 Clasificación de conductores desnudos Fig. 3.4 Curva de daño de un conductor de cobre 1/0 AWG Fig. 3.5 Curva de daño de un conductor de cobre 3/0 AWG CAPÍTULO 4 Fig. 4.1 Diagrama de flujo para la coordinación de protecciones Fig. 4.2 Criterio de coordinación fusible relevador Fig. 4.3 Factor de corrección "kt" para fusibles de potencia de cualquier velocidad Fig. 4.4 Factor de corrección "kt" para fusibles de potencia de velocidad lenta Fig. 4.5 Factor de corrección "kp" para fusibles de potencia de cualquier velocidad Fig. 4.6 Factor de corrección "kp para fusibles de potencia de velocidad lenta Fig. 4.7 Criterio de coordinación fusible relevador, aplicando factores de corrección Fig. 4.8 Criterio de coordinación relevador fusible Fig. 4.9 Criterio de coordinación fusible fusible Fig Criterio de coordinación fusible interruptor termomagnético Fig Criterio de coordinación relevador relevador Fig Proceso de selectividad cuando ocurre una falla Fig Valores de corriente para 13,8 kv y su proporcionalidad a 69 kv Fig Coordinación de protecciones para motores 1, 2 y 3, transformador 2 y línea Fig Coordinación de protecciones para motores 4, 5 y 6 y transformador Fig Coordinación de protecciones para motores 7, 8 y 9 transformador 4 y línea Fig Coordinación de protecciones para línea 2, línea 3, transformador 3 y línea Fig Coordinación de protecciones para motor 10, 11 y 12, transformador 5 y línea Fig Coordinación de protecciones para motor 13 y transformador Fig Coordinación de protecciones para motor 14, 15 y transformador Fig Coordinación de protecciones para transformador 6, 7 y línea Fig Coordinación de protecciones para motores 16, 17, 18, transformador 8 y línea Fig Coordinación de protecciones para motores 19, 20, transformador 9 y línea Fig Coordinación de protecciones para línea 1, 4, 5, 6, 7 y transformador vi

12 ANEXO A A.1. Curva característica del interruptor termomagnético para 250 A NFS250 de Federal Pacific by Schneider Electric A.2. Curva característica del interruptor electromagnético, 700 A de Schneider Electric 162 A.3. Curva clase C inversa A.4. Curva clase C muy inversa A.5. Curva clase C extremadamente inversa A.6. Curvas (TMF) de los fusibles limitadores de corriente 15 kv MT PROTELEC A.7. Curvas (TIT) de los fusibles limitadores de corriente 15 kv MT PROTELEC ANEXO B B.1. Curva de daño del transformador de kva B.2. Curva de daño del transformador de kva B.3. Curva de daño del transformador de 500 kva B.4. Curva de daño del transformador de kva B.5. Curva de daño del transformador de 500 kva B.6. Curva de daño del transformador de kva B.7. Curva de daño del transformador de 700 kva B.8. Curva de motor de 150 HP e interruptor termomagnético de 250 A B.9. Curva de motor de 250 HP y curva del relevador B.10. Curva de motor de 400 HP y curva del relevador B.11. Curva de motor de 500 HP y curva del relevador B.12. Curva de motor de 500 HP y curva del relevador B.13. Curva de motor de 700 HP y curva del relevador B.14. Curva de motor de 850 HP y curva del relevador B.15. Curva de motor de 1250 HP y curva del relevador B.16. Curva de motor de 1750 HP y curva del relevador B.17. Protección de un conductor de cobre 1/0 AWG por medio de fusibles B.18. Protección de un conductor de cobre 3/0 AWG por medio de fusibles ANEXO C C.1. Coordinación de protecciones para motores 1, 2 y 3 transformador 2 y línea C.2. Coordinación de protecciones para motores 4, 5 y 6 y transformador C.3. Coordinación de protecciones para motores 7, 8 y 9 transformador 4 y línea vii

13 C.4. Coordinación de protecciones para línea 2, línea 3, transformador 3 y línea C.5. Coordinación de protecciones para motores 10, 11 y 12 transformador 5 y línea C.6. Coordinación de protecciones para motor 13 y transformador C.7. Coordinación de protecciones para motor 14, 15 y transformador C.8. Coordinación de protecciones para transformador 6, transformador 7 y línea C.9. Coordinación de protecciones para motores 16, 17, 18, transformador 8 y línea C.10. Coordinación de protecciones para motores 19, 20, transformador 9 y línea C.11. Coordinación de protecciones para las líneas 1, 4, 5, 6, 7 y el transformador ANEXO D D.1. Simulación de coordinación de protecciones para motores 1, 2 y 3, transformador 2 y línea D.2. Simulación de coordinación de protecciones para motores 4, 5 y 6 y transformador D.3. Simulación de coordinación de protecciones para motores 7, 8 y 9 transformador 4 y línea D.4. Simulación de coordinación de protecciones para línea 2, línea 3, transformador 3 y línea D.5. Simulación de coordinación de protecciones para motores 10, 11 y 12 transformador 5 y línea D.6. Simulación de coordinación de protecciones para motor 13 y transformador D.7. Simulación de coordinación de protecciones para motor 14, 15 y transformador D.8. Simulación de coordinación de protecciones para transformador 6, transformador 7 y línea D.9. Simulación de coordinación de protecciones para motores 16, 17, 18, transformador 8 y línea D.10. Simulación de coordinación de protecciones para motores 19, 20, transformador 9 y línea D.11. Simulación de coordinación de protecciones para las líneas 1, 4, 5, 6, 7 y el transformador viii

14 RELACIÓN DE TABLAS CAPÍTULO 1 Tab. 1.1 Corriente de cortocircuito máxima para fusibles de distribución... 4 Tab. 1.2 Capacidad interruptiva de los fusibles Tab. 1.3 Energía permisible I 2 t CAPÍTULO 2 Tab. 2.1 Tipos y causas de falla Tab. 2.2 Tipos de falla en paralelo Tab. 2.3 Probabilidad de ocurrencia para diferentes fallas Tab. 2.4 Resultados en valores por unidad para los transformadores Tab. 2.5 Resultados en valores por unidad para los motores Tab. 2.6 Impedancia para conductores eléctricos de cobre trifásicos Tab. 2.7 Resultados en valores por unidad para las líneas Tab. 2.8 Resultados de corriente y potencia de cortocircuito trifásico en cada barra Tab. 2.9 Resultados de corriente y potencia de cortocircuito monofásico en cada barra CAPÍTULO 3 Tab. 3.1 Categoría del transformador...63 Tab. 3.2 Puntos de curva ANSI...64 Tab. 3.3 Impedancias mínimas...64 Tab. 3.4 Impedancias mínimas...65 Tab. 3.5 Limites NEC para transformadores Tab. 3.6 Factores de enfriamiento y temperatura Tab. 3.7 Múltiplos para la corriente de magnetización Tab. 3.8 Valor I t para definir la curva de daño en transformadores hasta 500 kva Tab. 3.9 Valores I t para definir la curva de energización Tab Máximo porcentaje de ajuste para protección contra sobrecarga Tab Calibres utilizados en circuitos de distribución aéreos Tab Selección de fusibles para los conductores ix

15 CAPÍTULO 4 Tab. 4.1 Valores de corriente de los motores referidos a 13,8 kv Tab Tab Tab. 4.4 Comparación de resultados de la coordinación de la rama Tab. 4.5 Comparación de resultados de la coordinación de la rama Tab. 4.6 Comparación de resultados de la coordinación de la rama Tab. 4.7 Comparación de resultados de la coordinación de la rama Tab. 4.8 Comparación de resultados de la coordinación de la rama Tab. 4.9 Comparación de resultados de la coordinación de la rama Tab Comparación de resultados de la coordinación de la rama Tab Comparación de resultados de la coordinación de la rama Tab Comparación de resultados de la coordinación de la rama Tab Comparación de resultados de la coordinación de la rama x

16 CAPÍTULO I PROTECCIONES PARA UN SISTEMA ELÉCTRICO 1.1. Generalidades de los fusibles Un fusible es un dispositivo empleado para proteger un circuito eléctrico mediante la fusión de uno o varios elementos destinados para este efecto, interrumpiendo el flujo de la corriente eléctrica cuando esta sobrepasa el valor de la corriente de fusión del fusible dentro de un tiempo determinado. Los componentes que conforman un cortocircuito fusible se muestran en la figura 1.1, la parte que sirve como elemento de protección para la desconexión del cortocircuito es el elemento fusible, el cual se construye de una sección transversal determinada hecha de una aleación metálica, este se funde al paso de una magnitud de corriente superior para la que fue diseñado, [1]. Para fusibles de un solo elemento es común usar aleaciones a partir de estaño, cobre o plata. Algunos fabricantes establecen que el elemento de temperatura de baja fusión previene el daño al tubo protector que rodea al elemento y al mismo portafusible en sobrecargas y el mejor material consecuentemente para los fusibles de un solo elemento es el estaño puro. Figura 1.1 Partes de un fusible. Página 1

17 Los fusibles de un solo elemento pueden subdividirse en dos clases: aquellos que tienen una temperatura de fusión baja, tal como los de estaño que se funde a 232 C; y los que tienen una temperatura de fusión alta como la plata o cobre, que se funden a 960 C y 1080 C respectivamente. Con curvas idénticas tiempo corriente un elemento fusible de estaño puede llevar mayor cantidad de corriente continuamente dentro de la elevación de temperatura permisible que los elementos fusibles de plata o cobre. En fusibles con elementos dobles, las funciones eléctricas y mecánicas de las partes están relacionadas de tal manera, que la elección del material se determina por el tipo de curva que se desee obtener. Este tipo de fusibles incorpora dos elementos en serie, un extremo de cobre estañado se une por medio de una bobina de soldadura. En sobrecargas, la soldadura funde a un valor predeterminado tiempo corriente provocando la separación de los elementos fusibles. En cortocircuitos e impulsos transitorios el elemento fusible funde antes que la soldadura. Además las características físicas, mecánicas y constructivas de los fusibles, es importante determinar los parámetros eléctricos que identifican a estos elementos de protección. De acuerdo a la norma ANSI C , los cortocircuitos fusibles son identificados por las siguientes características: Frecuencia. Tensión eléctrica nominal. Corriente eléctrica nominal. Nivel básico de impulso. Servicio (interior o intemperie). Respuesta de operación (curva tiempo corriente). Capacidad interruptiva (simétrica y asimétrica). Velocidad de respuesta (en el tipo expulsión). Asimismo, los factores que definen la aplicación de un fusible, además de las características anteriores son: Página 2

18 Corriente de cortocircuito en el punto de instalación. Relación X/R de la impedancia equivalente (Ze). Curva de daño de los elementos a proteger (conductores, transformadores, etc.). Curva de energización del transformador (inrush y carga fría). Costo Clasificación de los fusibles En la figura 1.2 se muestra la clasificación de los fusibles por tipo de operación, velocidad de operación y capacidad interruptiva. Tipo de Operación Tipo N Tipo Expulsión Tipo K y T Triple Disparo Vacío Limitador de Corriente Hexafluoruro de Azufre Potencia Acción Rápida CLASIFICACIÓN Velocidad de Operación Acción Retardada DE LOS FUSIBLES Acción Extremadamente Rápidos Capacidad Interruptiva Clase H Clase K Clase R Clase T Tipo Tapón Suplementarios Figura 1.2 Clasificación de los fusibles Página 3

19 Clasificación por tipo de operación En la actualidad existe una amplia diversidad de fusibles, mismos que dependiendo de la aplicación específica de que se trate, satisfacen en mayor o menor medida los requerimientos técnicos establecidos. A continuación se describen algunos de estos tipos, considerando sus características de operación. Para los fusibles tipo expulsión se definen las siguientes curvas características de operación: TIPO N: Fue el primer intento de normalización de las características de los elementos fusibles, la norma establecía que deberían llevar el 100% de la corriente nominal continuamente y deberían fundirse a no menos del 230% de la corriente nominal en 5 minutos. TIPO K y T: Para la característica de operación de estos fusibles se definieron tres puntos correspondientes a los tiempos de 0,1 s, 10 s y 300 s adicionalmente se normalizó que estos fusibles serían capaces de llevar el 150% de su capacidad nominal continuamente para fusibles de estaño y del 100% para fusibles de plata. Así mismo se normalizaron las capacidades de corriente más comunes de fabricación y que actualmente son de 1 A, 2 A, 3 A, 5 A, 8 A, 15 A, 25 A, 40 A, 65 A, 100 A, 140 A y 200 A. Para los cortocircuitos de distribución que utilizan fusibles tipo expulsión se tienen normalizados los valores máximos de la corriente de interrupción, indicados en la tabla 1.1. [2] Tabla 1.1 Corriente de cortocircuito máxima para fusibles de distribución. TENSIÓN [ kv ] CORRIENTE DE INTERRUPCIÓN [ A ] 4, , , Página 4

20 En la figura 1.3 se muestra un cortacircuito fusible tipo expulsión que está diseñado para utilizarse en instalaciones para proteger transformadores de distribución. En tensiones de 14,4 kv pueden encontrarse corrientes de diseño de 100 A ó 200 A nominales. Para tensiones de 25 kv, generalmente la corriente nominal es de 5 A continuos para transformadores de 75 kva. Figura 1.3 Fusible de simple expulsión tipo XS S&C Electric Mexicana. Los fusibles de doble y triple disparo constan de dos o tres cortacircuitos fusibles por fase, los cuales se conectan a la fuente mediante una barra común y la salida se conecta al primer cortacircuito fusible. Al momento que pasa una corriente mayor a la mínima de operación, se funde el elemento del primer fusible, abriendo el primer portafusible y cerrando en ese momento el siguiente cortacircuito fusible, en caso de persistir la sobrecorriente operará en forma similar al anterior conectando el siguiente cortacircuito fusible con la carga. En la figura 1.4 se muestra un cortacircuito fusible de tres disparos Página 5

21 Figura 1.4 Fusible de tres disparos. El fusible de vacio está encerrado en una cámara al vacío, cuenta con una cámara de arqueo, un escudo o pantalla y un aislamiento cerámico como lo muestra la figura 1.5. Para corrientes bajas de falla estos fusibles necesitan algunos ciclos para lograr el quemado del elemento fusible. Para corrientes altas el elemento instantáneamente se vaporiza y forma un arco eléctrico mantenido por el plasma, la diferencia de presión comparada con el vacío acelera la vaporización del metal y la extinción del arco. Figura 1.5 Fusible de vacío. Página 6

22 Los fusibles limitadores de corriente son básicamente de no expulsión, limitan la energía disponible cuando ocurre un cortocircuito, esto permite que se reduzcan considerablemente los daños en el equipo protegido. Hay tres tipos disponibles: 1. De respaldo o intervalo parcial, el cual debe ser usado en conjunto con uno de expulsión o algún otro dispositivo de protección y solamente es capaz de interrumpir corrientes superiores a un nivel especificado típicamente a 500 A. 2. De propósito general, el cual está diseñado para interrumpir todas las corrientes de falla. Para corrientes de valor bajo, el tiempo de operación es retardado, para corrientes de falla opera en un tiempo muy rápido del orden de un cuarto de ciclo. 3. De intervalo completo, el cual interrumpe cualquier corriente que en forma continua se presente arriba de la corriente nominal. En la figura 1.6 se muestra un fusible limitador de corriente, su principio de operación se basa en que cuando circula una sobrecorriente capaz de fundir el elemento metálico, éste se empieza a fundir en módulos que provocan un valor grande de tensión de arco, el calor generado por el arco vaporiza el metal a una presión muy elevada, condición bajo la cual se presenta una resistencia eléctrica muy alta. Una vez que el vapor metálico se condensa ocurre una descarga en el canal de arco y si tiene una re ignición hasta que la corriente pasa por su valor de cero que es cuando se completa la interrupción del arco. Figura 1.6 Fusibles del tipo limitador de corriente AREVA T&D para 1200 A. Página 7

23 El hexafluoruro de azufre (SF 6 ) ha sido ampliamente usado en la manufactura del equipo eléctrico, ya que tiene como operación principal extinguir el arco originado por las sobrecorrientes de carga y de cortocircuito. Para que el hexafluoruro de azufre (SF 6 ) sea un medio eficaz en la extinción del arco se requiere que esté a una presión mayor que la atmosférica, es decir que sus propiedades dieléctricas y extintoras del arco eléctrico varían en razón directamente proporcional a la presión que se encuentra contenido. Los fusibles de hexafloruro de azufre (SF 6 ) son empleados en las redes de distribución subterránea, dado que son para uso en interiores y de tipo limitador de corriente, actualmente se construyen para 15,5 kv, 27 kv y 38 kv de tensión de diseño y con capacidades de 200 A ó 600 A nominales, para 15,5 kv y 27 kv tienen un intervalo de 20 ka de capacidad interruptiva y para 38 kv tienen un intervalo de 13,5 ka de interrupción. En la figura 1.7 se muestra un fusible en hexafluoruro de azufre (SF 6 ). Figura 1.7 Fusibles en hexafluoruro de azufre (SF 6 ). Página 8

24 Los fusibles de potencia son diseñados para instalarse en subestaciones, líneas de distribución y subtransmisión, en donde los requerimientos de capacidad interruptiva son altos. Existen portafusibles que pueden reutilizarse después de fundirse el elemento fusible en este caso únicamente se reemplaza el elemento de relleno que contiene el fusible y hay portafusibles que una vez operados tienen que ser reemplazados completamente la figura 1.8 muestra este tipo de fusibles. Los fusibles de potencia por su construcción son del tipo expulsión y de acido bórico. El fusible de potencia del tipo expulsión fue el primero que se diseñó, habiendo evolucionado debido a la necesidad de contar con un fusible de mejores características, utilizándose entonces el ácido bórico y otros materiales sólidos que presentan las características siguientes: 1. Para iguales dimensiones de la cámara de interrupción de los portafusibles el ácido bórico puede interrumpir circuitos con una tensión nominal más alta. 2. Un valor mayor de corriente, cubre un intervalo total de interrupción desde la corriente mínima de fusión hasta la corriente de interrupción máxima de diseño. 3. Obliga a que se forme un arco de menor energía. 4. Reduce la emisión de gases y flama. Figura 1.8 Fusible tipo SM S para 20 ka S&C Electric Mexicana. Página 9

25 Clasificación por velocidad de operación Los fusibles de acción rápida (también llamados de operación normal) no tienen intencionalmente demora en su acción. El tiempo de apertura típica de estos fusibles es de 500% el valor de operación normal de corriente en un periodo de tiempo entre 0,05 s y 2 s. Los fusibles de acción rápida son de aplicación en cargas no inductivas, tales como iluminación incandescente y alimentadores de uso general en cargas resistivas o en circuitos principales con pequeñas cargas no inductivas. Los fusibles clases CC, G, H, J, RK5 y RK1, pueden ser fusibles de acción retardada (doble elemento), si son identificados en la etiqueta del fusible "time delay", "t d" o "d". Los fusibles de acción retardada normalizados por UL (Underwriters Laboratories), cumplen con los requerimientos exigidos en la protección de sobrecargas. Para valores altos de corriente, los fusibles de acción retardada ofrecen una excelente limitación de corriente, abriendo el circuito en un periodo de tiempo de menos de medio ciclo. Los fusibles con tiempo de retardo pueden ser seleccionados con valores mucho más cerca de la corriente de operación normal de los circuitos. El principal uso de los fusibles extremadamente rápidos es en la protección de componentes electrónicos de estado sólido, tales como, semiconductores (diodos, tiristores, semipacks, etc.) su característica especial, es responder en forma rápida a problemas de sobrecarga, con baja energía de fusión (I 2 t), corriente de pico y transigencias de tensión eléctrica, proveen protección de los componentes que no pueden aislar la línea, este tipo de protecciones son usados para valores de sobrecarga bajos y corrientes de cortocircuito. Clasificación por capacidad interruptiva. La capacidad de interrupción de un fusible es la intensidad de corriente máxima (raíz media cuadrática) que puede soportar adecuadamente el fusible para proteger en forma segura los componentes del sistema eléctrico. Tal como lo exige la NEC en su artículo Un fusible debe interrumpir todas las sobrecorrientes que se presentan en el sistema eléctrico. Página 10

26 Los fusibles están diseñados para operar confiadamente en los siguientes valores: 10 ka, 50 ka, 100 ka, 200 ka y 300 ka respectivamente. Los equipos proyectados para interrumpir la corriente en caso de fallas, deben tener una intensidad de interrupción suficiente para la tensión nominal del circuito y la intensidad que se produzca en los terminales de la línea del equipo. El equipo proyectado para interrumpir el paso de corriente a otros niveles distintos de falla, debe tener una capacidad de interrupción a la tensión nominal del circuito, suficiente para la corriente que deba interrumpir. Los fusibles poseen una capacidad de interrupción de 200 ka, valor que los hacen como los dispositivos más apropiados para aplicar en los sistemas eléctricos. Algunos fabricantes, sin embargo han estado trabajando en fusibles para 300 ka de capacidad de interrupción, así aumentando la confiabilidad de estos dispositivos de protección eléctrica. En cuanto a capacidad interruptiva se clasifican de acuerdo a la tabla 1.2, [3]. Tabla 1.2 Capacidad interruptiva de los fusibles. FUSIBLE CAPACIDAD DE INTERRUPCIÓN [ ka ] Clase H 10 Clase K 50, 100 o 200 Clase RK 1 and Clase RK Clase J, Clase CC, Clase T, and Clase L 200 Clase G 100 Fusibles tipo tapón Curvas características de los fusibles. En el estudio de coordinación cuando una inspección no es suficiente, se puede llevar a cabo la utilización de la representación gráfica de las curvas características de los fusibles. Las curvas utilizadas para el estudio de coordinación y las que presentan los fabricantes de fusibles son: Página 11

27 1. Curva tiempo corriente. 2. Curva de corriente pico permisible. 3. Curva de energía de fusión I 2 t. Curvas tiempo corriente Las curvas de los fusibles son líneas que representan el tiempo promedio de fusión de cada una de las calibraciones de los fusibles. Las curvas de fusión (tiempo corriente), figura 1.9 muestran el tiempo promedio requerido para fundir el elemento fusible responsable de conducir la corriente. Las características de fusión del elemento fusible se determinan principalmente por: 1. La correcta aleación de los materiales. 2. La pureza de un metal, como la plata o el cobre. 3. El espesor del elemento fusible. 4. El ancho del elemento fusible. Lo anterior permite tener un mejor control en el tiempo de fusión de los fusibles para cumplir con las curvas de tiempo corriente, las cuales se grafican bajo las siguientes condiciones: 1. Los fusibles no deben ser sometidos a condiciones de sobrecarga, es decir, no deben haber conducido corriente antes de probarse. 2. La temperatura ambiente en la cual se efectúe la prueba sea de 25 C. Para propósitos de coordinación la corriente de fusión tiene una variación de ± 10%, así en lugar de una línea mostrando el tiempo de fusión de un fusible, se deberá considerar una banda. Las curvas tiempo corriente de apertura total muestran el tiempo máximo requerido para cumplir esta función a tensión nominal. Para fundir un fusible y abrir el circuito se deben tomar en cuenta lo siguiente: 1. Una corriente que pase a través del elemento fusible debe calentarlo y cambiarlo de un estado sólido a un estado líquido. Página 12

28 2. En el instante en que el elemento cambia al estado líquido, el eslabón comienza a abrir en algún punto y se establece un arco entre la terminal sólida del elemento restante. Al seguir fundiéndose, el arco se extiende hasta que no puede brincar más el espacio libre interrumpiendo de esta manera el circuito. Actualmente el tiempo de arqueo es medido en ciclos y varía de 0,5 a 2 ciclos. Figura 1.9 Curva promedio, tiempo corriente. Curvas de corriente pico permisible. La mayor parte de los sistemas eléctricos de distribución actuales son capaces de entregar corrientes de cortocircuito elevadas a sus componentes. Si los componentes no son capaces de manejar estas corrientes de cortocircuito, éstos pueden ser dañados o destruidos fácilmente. Página 13

29 Debido a la velocidad de respuesta de las corrientes de falla, los fusibles tienen la habilidad de recortar la corriente antes de que ésta alcance proporciones peligrosas. La figura 1.10 muestra el efecto limitador de corriente de los fusibles con dichas características. Figura 1.10 Efecto limitador de corriente de los fusibles. El grado de limitación de corriente de los fusibles generalmente se representa en forma de curvas de corriente pico permisible. Las curvas de corriente pico permisible o curvas del efecto de limitación de corriente son útiles desde el punto de vista de la determinación del grado de protección contra cortocircuito que proporciona el fusible al equipo. Estas curvas muestran el pico instantáneo de corriente permisible como una función de corriente simétrica rms disponible. Curvas de energía de fusión I 2 t Durante la operación de un fusible cuando se produce una sobrecarga es necesaria una cierta cantidad de energía para fundir el elemento fusible y otra cantidad de energía para extinguir el arco eléctrico después de que el elemento comienza a fundirse, ver figura Página 14

30 Figura 1.11 Acción característica del fusible limitador de corriente. Los datos de energía permisible I 2 t para cada clase de fusibles se presentan en forma de tablas (tabla 1.3), donde se aprecia el tipo y la capacidad de fusible así como su energía permisible I 2 t de los mismos, [4]. Tabla 1.3 Energía permisible 2 CLASE CAPACIDAD [ A ] I P [ A ] J K1 K [ A² / s. ] 7 X 10 ³ 30 X 10 ³ 80 X 10 ³ 300 X 10 ³ X 10 ³ X 10 ³ 10 X 10 ³ 40 X 10 ³ 100 X 10 ³ 400 X 10 ³ X 10 ³ X 10 ³ 50 X 10 ³ 200 X 10 ³ 500 X 10 ³ X 10 ³ X 10 ³ X 10 ³ Página 15

31 1.2. Relevadores de protección. El relevador de protección es un dispositivo que detecta una falla o condición anormal de un equipo eléctrico y lo separa de la red eléctrica en forma automática, tomando en consideración que el relevador se puede energizar por una señal de tensión, una señal de corriente o por ambas. El relevador de protección es un equipo de medición que compara una señal de entrada con una señal de ajuste de la misma naturaleza que la señal de entrada, teniendo en cuenta que su operación se manifiesta cuando la señal de entrada es mayor a la señal de ajuste, cuando esto ocurre se dice que el relevador opera y se manifiesta físicamente abriendo y cerrando contactos propios o de relevadores auxiliares para desconectar automáticamente los interruptores asociados al equipo fallado. Los relevadores proporcionan una indicación de su operación mediante banderas o señales luminosas esto depende de los fabricantes. Los relevadores auxiliares se utilizan para disparar o bloquear el cierre de algunos interruptores y otras funciones de control y alarma. El esquema básico de un relevador de protección se presenta en la figura 1.12, [2]. Figura 1.12 Esquema básico de un relevador de protección. El dispositivo de entrada es por lo general un transformador de intensidad de corriente y de tensión, los cuales realizan la doble función de adaptar las señales procedentes de una perturbación en la instalación a valores aptos para los relevadores de protección y a la vez sirven de separación eléctrica de las partes de tensión alta y baja. Página 16

32 El dispositivo de conversión se encarga de convertir las señales censadas en el dispositivo de entrada para que puedan ser procesadas por el dispositivo de medida. Algunas veces las señales del dispositivo de entrada se recogen directamente por el dispositivo de medida, por lo que se puede prescindir del dispositivo de conversión. El dispositivo de medida mide las señales procedentes de los dispositivos anteriores, y comparándolas con unos valores de ajuste, decide cuándo debe actuar la protección. Es el dispositivo más importante del relevador. La función del dispositivo de salida es amplificar las señales de débil potencia procedentes del dispositivo de medida para hacer funcionar los elementos que actúan en la protección. Los dispositivos de salida suelen ser contactos de mando y actualmente elementos lógicos con sus correspondientes etapas de amplificación. El dispositivo accionador consiste en la bobina de mando del disyuntor. Cuando esta bobina es accionada produce la desconexión del disyuntor correspondiente. La fuente auxiliar de tensión se encarga de alimentar al relevador de protección. Esta fuente puede ser un banco de baterías, transformadores de tensión o la propia red a través de sistemas de alimentación interrumpida. Los relevadores de sobrecorriente de acuerdo a sus características se clasifican de la siguiente manera: Por su tiempo de operación. Relevadores de sobrecorriente instantáneo (número ANSI 50). Relevadores de sobrecorriente con retardo de tiempo (número ANSI 51). Por su construcción. Relevadores electromecánicos. Relevadores estáticos. Relevadores digitales ó microprocesados. Página 17

33 Por sus características de tiempo corriente. Tiempo definido. Tiempo inverso. Tiempo muy inverso. Tiempo extremadamente inverso. Por su nivel de corriente y forma de conexión. Relevadores de sobrecorriente de fase. Relevadores de sobrecorriente de neutro. Relevadores trifásicos. El relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo (51), es un relevador con una respuesta retardada la cual se ajusta a una curva característica de tiempo corriente definida o inversa que funciona cuando la corriente en el circuito excede de un valor predeterminado. Se conoce como tiempo inverso a la característica de tiempo corriente en que a mayor corriente, menor es el tiempo de respuesta del relevador; y consecuentemente a menor corriente, mayor será el tiempo de operación del relevador. El relevador de sobrecorriente instantáneo (50), es un relevador con respuesta instantánea para un valor predeterminado de corriente su tiempo de respuesta u operación es menor a 3 ciclos (0,05 segundos). Este tipo de relevador de sobrecorriente, no se debe usarse en circuitos en donde se encuentren conectados en serie relevadores del mismo tipo y con los cuales se debe de coordinar, a menos que entre ellos se encuentre una impedancia de un valor suficientemente grande (como la debida a transformadores o alimentadores), que permita limitar la corriente de falla. En los alimentadores principales, debido a las dificultades que presenta coordinar con el mismo tipo de relevador en los ramales, es poco usual su aplicación. Para obtener el ajuste de los relevadores instantáneos, se usan los valores de cortocircuito momentáneo que se obtiene de dicho estudio. Página 18

34 El relevador de sobrecorriente electromecánico por su principio de funcionamiento se clasifican en: Atracción electromagnética. Inducción electromagnética. El relevador de atracción electromagnética se utiliza básicamente en la construcción de relevadores de sobrecorriente instantáneos. Generalmente es un electroimán cuya bobina es alimentada por un transformador de corriente. El émbolo construido de material ferromagnético, es atraído por el flujo en el entrehierro, como se muestra en la figura Figura 1.13 Relevadores de atracción electromagnética. El contacto que cierra durante la puesta en operación (pick up) del relevador es utilizado para el control de apertura o disparo de uno o varios interruptores. En los relevadores de sobrecorriente instantáneo (50), existe un tornillo de ajuste alojado en la parte superior. Variando la separación o altura del entrehierro se modifica la fuerza actuante. La operación del relevador se identifica por medio de una bandera cuyo color depende de la marca del fabricante. El relevador de sobrecorriente de inducción electromagnética es un motor de inducción de fase auxiliar con contactos. La fuerza actuante se desarrolla en un elemento móvil, que es un disco de material no magnético conductor de corriente, por la interacción de los flujos electromagnéticos con la corriente parásita (de Eddy) que se inducen en el rotor por estos flujos. Página 19

35 Los relevadores más utilizados tienen la estructura del tipo watthorímetro. El rotor que es un disco en su flecha se encuentra alojado un contacto móvil, en el armazón del relevador se localiza el contacto fijo. La mayor o menor separación de los contactos se obtienen ajustando el ó la palanca y por consiguiente el tiempo de operación de los relevadores (figura 1.14). Figura 1.14 Relevador de inducción electromagnética. Un resorte en forma de espiral cuyos extremos se encuentran fijados a la flecha o disco una sección estática del relevador, proporciona al disco un par de reposición. Cuando el par de reposición del disco es ligeramente menor al par producido a corriente que alimenta al relevador, el disco se arranca. El valor de esta corriente expresada en Amperes es conocido como el pick up del relevador. Por otra parte este tipo de relevadores tienen disponible una serie de TAP s o derivaciones de la bobina de corriente. La regleta de TAP s alojada en la parte superior del relevador tiene un número determinado de orificios con rosca. Uno para cada derivación de la bobina que es conectada al transformador de corriente (TC). Por medio de un tomillo se selecciona el TAP del relevador, y el valor de éste representa la corriente mínima de operación. Página 20

36 Es decir, el TAP seleccionado corresponde a la corriente secundaria capaz de arrancar al relevador. Aunque la mayoría de los relevadores dispone de un amplio intervalo de TAP s, se recomienda no ajustar al relevador en un TAP mayor de 5 A, en razón de proteger el circuito secundario del TC. Montado sobre el eje del disco se encuentra el contacto móvil. En la parte superior se tiene fijado un dial numerado de 0 a 10 dependiendo del fabricante la numeración bien puede ser de 0 a 11. La posición del dial determina la separación entre los contactos (fijo y móvil) del relevador. A este ajuste se le conoce como palanca y permite establecer un juego de curvas tiempo corriente similares. Los ajustes de tiempo y corriente pueden ser determinados en las gráficas tiempo múltiplo TAP (corriente). Estas gráficas son familias de curvas proporcionados por el fabricante del relevador, las cuales indican el tiempo requerido en cerrar sus contactos para cada posición del dial, cuando la corriente es referida como múltiplo del TAP seleccionado. Se puede generalizar al relevador de sobrecorriente electromecánico como un relevador monofásico alojado en una caja con tapa transparente y desmontable, en el interior se aloja una unidad de sobrecorriente instantánea (50) o una unidad de sobrecorriente de tiempo (51) o ambas unidades (50/51), con características de tiempo corriente propias del relevador que no pueden ser modificadas. La unidad o unidades operadas son señalizadas por medio de banderas de señalización. Las funciones de los relevadores de sobrecorriente estáticos son semejantes a las obtenidas con los del tipo electromecánico, a pesar de que los relevadores estáticos carecen de partes móviles, la terminología relativa al ajuste y operación es similar a la empleada en los relevadores electromecánicos. Los relevadores de sobrecorriente utilizan los siguientes circuitos básicos: Rectificador, cuya función es convertir una entrada de corriente alterna en una señal de tensión, capaz de ser medida y comparada. Detector de nivel, el cual compara una entrada analógica con un nivel prefijado, el cual responde con una salida analógica cuando este nivel es excedido. Página 21

37 Temporizadores para demorar a manera constante o proporcionar la entrada analógica de corriente. Cada uno de estos circuitos, configuran una parte de los relevadores de sobrecorriente con retardo de tiempo, ilustrado en la figura La corriente alterna que alimenta el relevador es convertida en tensión de CD por medio un transformador de corriente, un puente rectificador y una resistencia de carga conectada en paralelo, esta tensión es comparado con un nivel prefijado en el detector de nivel número 1, el cual genera un pulso al temporizador cuando el nivel es excedido. El temporizador responde a un tiempo en segundos. En el caso de relevadores de tiempo, es proporcional a la magnitud de la corriente de entrada. Figura 1.15 Relevador de sobrecorriente estático trifásico instantáneo y de tiempo. Generalmente el temporizador carga un capacitor, de manera que al alcanzar al valor fijado en el detector de nivel número 2, se genera un pulso de salida. Los pulsos para la operación del elemento instantáneo son obtenidos por medio del detector de nivel número 3 el cual opera al pasar por alto al temporizador. Diodos emisores de luz (led's) son utilizados para abanderar la operación de los relevadores, los cuales están normalmente apagados. Se iluminan cuando uno de los valores de ajuste (pick up) es superado. Pulsando el botón restaurar se reponen. Página 22