INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

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1 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA COORDINACION DE PROTECCIONES DE LA RED ELECTRICA DE LA ESIME ZACATENCO TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA PRESENTAN: CERVANTES MARTINEZ SEBASTIAN VILLEGAS FRANCO JORGE ASESORES: ING. RICARDO OMAR ALVAREZ GAMEZ M. EN C. JUAN ABUGABER FRANCIS México D.F. a 30 de Enero del 2009

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3 INDICE INDICE.. 2 NOMENCLATURA.. 4 RESUMEN.. 5 INTRODUCCIÓN.. 6 CAPITULO 1 1 Sistemas de protección Tablero de protección Tipos de fallas eléctricas Sobrecarga Corto Circuito Falla de Aislamiento Elementos de protección Los relevadores Tipos de relevadores Interruptores Interruptores en pequeño y gran volumen de aceite Interruptor neumático y en Hexafloruro de Azufre Interruptores en vacío Interruptor termomagnético Interruptor o protector diferencial Protección contra sobrecorriente Fusibles o cortacircuitos Interruptores automáticos magnetotérmicos Características de desconexión Protección contra sobrecargas Peligros de la Corriente Eléctrica Sistemas de protección de puesta a tierra Puesta a tierra de las masas metálicas de instalación Tipos de toma a tierra.. 22 CAPITULO 2 2 Coordinación de protecciones Objetivo de la Coordinación de protecciones Condiciones mínimas de la selectividad Consideraciones primarias Corrientes de corto circuito Intervalos y tiempos de coordinación Capacidad de corriente de un cable Saturación de transformadores de corriente Como leer las curvas de tiempo-corriente

4 2.2.6 Curvas ANSI para transformadores Planificación inicial Diagrama unifilar Símbolos estándar para los diagramas eléctricos Ejemplo de un Diagrama Unifilar de una red eléctrica Diagrama de impedancias y reactancias Diagrama unifilar para la coordinación de protecciones Corriente de corto circuito Estudio de corto circuito Justificación Origen y consecuencias de los cortos circuitos Requerimientos para el estudio de corto circuito Tipos de cortos circuitos Métodos para el cálculo de corto circuito 38 CAPITULO 3 3 Procedimiento y análisis de resultados Paso 1 Diagrama Unifilar Paso 2 Diagrama de Impedancias" Etapas y cálculo de corto circuito Calculo de corto circuito en la barra principal Calculo de las reactancias del sistema Ajuste y Coordinación de Protecciones Selección de las protecciones para transformadores en B.T. 54 CAPITULO 4 4 Estudio Económico del proyecto Análisis de precios unitarios Análisis básico Desglose de costos indirectos Análisis para la determinación del factor del salario real CONCLUSIONES.. 71 RECOMENDACIONES.. 72 BIBLIOGRAFIA

5 NOMENCLATURA Cambio de valores reales a una base en por unidad... pu Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica... ESIME Unidad Profesional Zacatenco.... UPZ Instituto Politécnico Nacional... IPN Comisión Federal de Electricidad... CFE Software de simulación y diseño en los sistemas de potencia... ETAP (Electrical Power Sistem Analysis) Comisión Electrónica Internacional... CEI Certificado de Cálidad (Internacional Estándar Organitation)... ISO Comité Consultivo Nacional de Normalización de la Industria Eléctrica... CCONNIE (Norma Mexicana). Instituto Nacional Americano de Estandarización... ANSI miembro de la Organización Internacional de Estandarización ISO tensión... V(V) corriente... I (A) transformador de medición de corriente... TC transformador de medición de potencial... TP Hexafloruro de azufre... SF6 fusible de acompañamiento según norma UNE... am fusible rápido según norma UNE... gt fusible lento según norma UNE... gf corriente de falla o intensidad de corriente a la cual ha de fundir un fusible... If pequeño interruptor automático... PIA valor de corriente nominal... In (A) Frecuencia... Fr (Hz) símbolo de la unidad de la frecuencia... Hz corriente de defecto a tierra... Id (ka) alta tensión... AT (kv) nivel de sensibilidad de la corriente Is (ka) baja tensión... BT (V) circuito breaker... CB fuerza electromotriz... Fem (V) Símbolo de la unidad de potencia aparente en kilo Volt-Ampéres.... kva Impedancia... Z (OHM) admitancia... Y(MHO) corriente alterna... CA (V) corriente directa... CD (V) mili Amperes... ma (A) segundos... s kilo Amperes... ka corriente a plena carga... Ipc (A) corriente a rotor bloqueado... Irb (A) corriente de magnetización... Imag (A) conexión trifásica en estrella... Y transformador... T tensión prefalla... Vf (V) punto de referencia para... P corrientes de corto circuito en las fases a, b, c.... Ia, Ib, Ic Impedancia equivalente de sec. Positiva... Z1 Impedancia equivalente de sec. Negativa... Z2 4

6 RESUMEN En este proyecto se realiza la coordinación de protecciones de la red eléctrica de la ESIME Zacatenco, el cual contiene el procedimiento para poder obtener los objetivos de la tesis, las consideraciones principales y cada uno de los puntos importantes para realizar el proyecto, así como algunos métodos de cálculo para el corto circuito. Mencionando que toda coordinación parte de un diagrama unifilar actualizado de la red eléctrica a estudiar el cual debe contener los datos de cada uno de los componentes que la conforman como son: los conductores y sus calibres, alimentadores, subestaciones principales y derivadas, carga instalada, sus protecciones, transformadores, etc. También se pretende dar información más amplia de lo que son las protecciones en una red eléctrica, como utilizarlas y aplicarlas, saber coordinar y ajustar con el mínimo error o incertidumbre en su operación. Este trabajo presenta conceptos sobre el tema de las protecciones, su uso en las redes de distribución, en qué tipos de fallas eléctricas son aplicables, así como su principio de funcionamiento. Para realizar la coordinación de las Protecciones de la Red Eléctrica de la ESIME, se empieza el trabajo con información útil, concreta y entendible referente al tema; Empezando con información sobre el sistema a proteger, conceptos de coordinación de protección, el objetivo de dicha coordinación y su justificación, pero principalmente un procedimiento que nos lleve de forma correcta a la realización del objetivo de la tesis. Para poder llegar a cumplir con los objetivos de este proyecto se consultaron las siguientes normas, documentos y estándares de referencia que sirven como base para este proyecto: NOM-029-STPS-2005 mantenimiento de las instalaciones eléctricas en los centros de trabajo-condiciones de seguridad (Norma Oficial Mexicana de la Secretaria del Trabajo y Previsión Social) NCH ELEC 4/84 Norma de electricidad de acuerdo al código eléctrico Nacional EE.UU. NF F para las instalaciones eléctricas en baja tensión. NMX-J-136-SCFI Norma Oficial Mexicana de abreviaturas, números y símbolos usados en planos y diagramas eléctricos. EN Normas Europeas UNE que significa Una Norma Española creada por el Instituto de Normalización y Racionalización. La nomenclatura y simbología de los arreglos unifilares y trifilares de una subestación eléctrica están basados en las normas internacionales CEI (Comisión Electrotécnica Internacional), la norma americana ANSI. Y las normas mexicanas CCONNIE (Comité Consultivo Nacional de Normalización de la Industria Eléctrica) NOM-001-SEDE-2005 Norma Oficial Mexicana, Instalaciones Eléctricas (Utilización) Comunicado de Luz y Fuerza del Centro informando la corriente de corto circuito en el punto de acometida, trifásico y monofásica. Estándar IEEE Std "Recommended Practice for Electric Power Distribution for Industrial Plants". Estándar IEEE Std "Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis. En la representación del diagrama unifilar se utilizó el software llamado Auto CAD 2006, y para la simulación del corto circuito y la coordinación de protecciones de la Red Eléctrica de la ESIME Zacatenco se utilizo el software denominado ETAP (Electrical Power Sistem Analysis) que es el software y la herramienta más completa de análisis y control para el diseño, simulación y operación de sistemas de potencia eléctricos de generación, distribución e industriales. Esta herramienta dispone de una gran cantidad de módulos como son: redes CA ó DC, tendido y rutado de cables, redes de tierra, coordinación y selectividad de protecciones, y diagramas de Control de Sistemas CA y CD. 5

7 INTRODUCCIÓN Es de conocimiento general, que las redes eléctricas de distribución tienen varios componentes y cada uno con características singulares, éstos forman parte importante de todo el sistema eléctrico, cumpliendo cada uno con sus funciones específicas. Existen dentro de dichas redes: subestaciones, interruptores encargados de unir o abrir circuitos entre sí, transformadores de potencia ó de corriente mejor conocidos como transformadores de medida, que se encargan de medir las características de la señal eléctrica para fines de protección y registro, seccionadores, que unen o separan circuitos, sólo por mencionar algunos. La Unidad Profesional Zacatenco del IPN cuenta con diversas áreas entre las cuales las más grandes son los edificios y laboratorios pesados, así como: laboratorios ligeros, áreas deportivas, áreas culturales, bibliotecas y alumbrado en general. Se sabe que todas las instalaciones en conjunto consumen una gran cantidad de energía eléctrica diariamente. El problema es como mantener en un alto nivel la continuidad del servicio, y que cuando ocurran condiciones intolerables, reducir el número de cortes de energía eléctrica, ya que muchas veces el corte de energía no sucede desde la subestación principal si no que es ocasionada por algún equipo eléctrico deteriorado, viejo o mal instalado que no cumple su función adecuadamente, como sucede con el que cuenta la Institución puesto que tiene aproximadamente un tiempo de funcionamiento de mas 40 años, en especial al tratarse de las protecciones eléctricas. La función de la protección eléctrica es detectar posibles fallas y proteger al sistema de cualquier falla, si es posible desconectar al equipo eléctrico en riesgo para así cuidar la instalación e interrumpir en lo más mínimo el servicio de la energía eléctrica. Para poder reducir los riesgos de que algún equipo se dañe, ó que ocurra algún accidente humano y tratar en lo más mínimo de interrumpir la energía eléctrica se tendrá que actualizar la red eléctrica y se realizara la coordinación de las protecciones para una mayor confiabilidad. Es por eso que se toman como objetivos principales de esta tesis los siguientes puntos: Realizar la coordinación de protecciones de la red eléctrica de la ESIME Zacatenco. Realizar el levantamiento del diagrama eléctrico actualizado de la ESIME. Determinar las corrientes de corto circuito para verificar las capacidades de corto circuito de tableros y dispositivos de protección, además de su aplicación en la elaboración del estudio de coordinación de protecciones. Por lo que fue necesario tener el Diagrama Unifilar de las Subestaciones eléctricas con que cuenta la ESIME, saber a que tipo de carga alimenta cada una de ellas; así como las actualizaciones que se han hecho a la fecha para poder detectar puntos de falla en caso de que llegase a suceder algún problemas dentro de las instalaciones y ayudar a la gente de mantenimiento para poder solucionar el problema. El Estudio de Corto Circuito tiene un impacto directo sobre la Seguridad Eléctrica y la Producción continua en la planta. Una combinación de nivel de Corto Circuito elevado y una mala selección de las capacidades interruptivas de los equipos, puede desatar una explosión y conato de incendio en caso de que se llegase a presentar una perdida de aislamiento en el Sistema Eléctrico. Como alcance de la tesis tenemos que el diagrama unifilar, el diagrama de impedancias, estudio de corto circuito y la coordinación de protecciones se realizará solo desde la subestación UPZ principal de 23 kv y subestaciones reductoras de 6 kv que conforman al alimentador 52-F5 correspondiente a los edificios del 1 al 5 de la ESIME dándole continuidad en el edificio 6 al 9 hasta llegar a su tablero de cargas de cada edificio. Se enfocamos a un solo alimentador por que la mayoría de ellos son similares, la mayoría de estas instalaciones cuentan con cargas estáticas es decir de solo alumbrado, puesto que los laboratorios pesados no tienen motores trabajando continuamente, es decir es solo para uso de practicas. 6

8 Este trabajo consta de 4 capítulos y esta estructurado de la siguiente forma: Comienza con una introducción la cual explicara el problema con el que cuenta la Red Eléctrica así como la solución efectiva a este problema, también se dan los objetivos generales y los específicos, se justificara el trabajo y se le dará una limitación o alcance El Capitulo 1 hace hincapie en un punto de vital importancia la seguridad de las redes electricas, a fin de evitar daños en los equipos al sistema en su conjunto y en particular a las personas. Presenta el Sistema de Protección, en donde se explica como esta compuesto el sistema de protección, los tipos de protecciones, tipos de fallas eléctricas y que tipo de protección aplicar en cada una de las diferentes fallas. El Capitulo 2 presenta una información amplia, concisa y entendible de lo que se refiere a la Coordinación de Protecciones; es decir se presentan conceptos, objetivos de la coordinación, condiciones de selectividad y consideraciones primarias, así como el procedimiento para una buena coordinación de protecciones y cálculos de corto circuito. El Capitulo 3 presenta el procedimiento aplicado a nuestro alcance, los resultados del ajuste y coordinación de las protecciones del alimentador 52-F5. Los cuales fueron respaldados a traves de un software a fin de tener una mejor coordinacion de las proteciones electricas. El Capitulo 4 presenta el estudio económico del proyecto, Comenzando con un estudio General, es decir la cotización del proyecto y la planeación en el cual se vera como esta conformada los recursos para su realización (recursos humanos, materiales y económicos), un desarrollo de los precios unitarios, posteriormente con los precios particulares. Finalmente se muestra las conclusiones y algunas recomendaciones para trabajos a futuro 7

9 CAPÍTULO 1 El sistema de protección Toda red eléctrica tiene que estar dotada de una serie de protecciones que la hagan segura, tanto desde el punto de vista de los conductores y los aparatos a ellos conectados, como de las personas que han de trabajar con ella. Existen muchos tipos de protecciones, que pueden hacer a una instalación de una red eléctrica completamente segura ante cualquier contingencia, pero hay tres que deben usarse en todo tipo de instalación: de alumbrado, domesticas, de fuerza, redes de distribución, circuitos auxiliares, etc., ya sea de baja o alta tensión. Estas tres protecciones eléctricas, que se describirán con detalle son: Protección contra sobrecargas. Protección contra cortocircuitos. Protección de falla a tierra. La protección de las redes eléctricas esta encaminada a evitar daños en los equipos al sistema en su conjunto y a las personas y se aplica según sea el tipo de falla bajo un esquema general como el siguiente. FALLA RELEVADOR INTERRUPTOR Los sensores primarios generalmente detectan la falla en el nivel de tensión del sistema y normalmente son los llamados transformadores de instrumento que detectan señal de corriente, de tensión o una combinación de estas y se conocen como: a) Transformador de Corriente TC.- que semejan señales de corriente. b) Transformadores de Potencia TP.- semejan señal de tensión o potencial y se construyen en dos tipos. 1.- Transformador de potencial Inductivos 2.- Transformador de potencial Capacitivos La función principal de ambos transformadores de instrumento es aislar eléctricamente los instrumentos de medición y la protección que operan en baja tensión (120 ó 127V) de las redes eléctricas de donde se toman las señales, que operan en alta tensión (23 kv, 34.5 kv). 1.1 Tablero de protección En un tablero eléctrico se concentran los dispositivos de protección y de maniobra de los circuitos eléctricos de la instalación. En el caso de instalaciones residenciales este tablero generalmente consiste en una caja en cuyo interior se montan los interruptores automáticos respectivos. Para lograr una instalación eléctrica segura, se debe contar con dispositivos de protección que actúen en el momento en el que se produce una falla (cortocircuito, sobrecarga o falla de aislamiento) en algún punto del circuito. De esta forma se evita tanto el riesgo para las personas de sufrir "accidentes eléctricos", como el sobrecalentamiento de los conductores y equipos eléctricos, previniendo así daño en el material y posibles causas de incendio. 8

10 El sistema de protección de los equipos y/o instalaciones del sistema eléctrico tiene como objetivos: Detectar las fallas para aislar los equipos o instalaciones falladas tan pronto como sea posible Detectar y alertar sobre las condiciones indeseadas de los equipos para dar las alertas necesarias; y de ser el caso, aislar al equipo del sistema Detectar y alertar sobre las condiciones anormales de operación del sistema; y de ser el caso, aislar a los equipos que puedan resultar perjudicados por tales situaciones El sistema de protección debe ser concebido para atender una contingencia doble; es decir, se debe considerar la posibilidad que se produzca un evento de falla en el sistema eléctrico, al cual le sigue una falla del sistema de protección, entendido como el conjunto Rele- Interruptor. Por tal motivo, se debe establecer las siguientes instancias: 1. Las protecciones principales (primaria y secundaria) que constituyen la primera línea de defensa en una zona de protección y deben tener una actuación lo más rápida posible (instantánea). 2. Las protecciones de respaldo que constituyen la segunda instancia de actuación de la protección y deberán tener un retraso en el tiempo, de manera de permitir la actuación de la protección principal en primera instancia. Estas protecciones son las siguientes: La protección de falla de interruptor que detecta que no ha operado correctamente el interruptor que debe interrumpir la corriente de falla; y por tanto, procede con la apertura de los interruptores vecinos para aislar la falla. La protección de respaldo, la cual detecta la falla y actúa en segunda instancia cuando no ha actuado la protección principal. Para ser un verdadero respaldo, este relé debe ser físicamente diferente de la protección principal. 1.2 Tipos de fallas eléctricas: Las fallas, según su naturaleza y gravedad se clasifican en: Sobrecarga: Se produce cuando la magnitud de la tensión ("voltaje") o corriente supera el valor preestablecido como normal (valor nominal). Comúnmente estas sobrecargas se originan por exceso de consumos en la instalación eléctrica. Las sobrecargas producen calentamiento excesivo en los conductores, lo que puede significar las destrucción de su aislamiento, incluso llegando a provocar incendios por inflamación Cortocircuito: Se originan por la unión fortuita de dos líneas eléctricas sin aislamiento, entre las que existe una diferencia de potencial eléctrico (fase-neutro, fase-fase). Durante un cortocircuito el valor de la intensidad de corriente se eleva de tal manera, que los conductores eléctricos pueden llegar a fundirse en los puntos de falla, generando excesivo calor, chispas e incluso flamas, con el respectivo riesgo de incendio Falla de aislamiento: Estas se originan por el envejecimiento del aislamiento de algún conductor, uniones mal aisladas, etc. Estas fallas no siempre originan cortocircuitos, sino en muchas ocasiones se traducen que superficies metálicas de aparatos eléctricos queden energizadas (con tensiones peligrosas), con el consiguiente peligro de shock eléctrico para los usuarios de aquellos artefactos. 9

11 1.3 Elementos de protección: Existen varios tipos de protecciones diferentes, por lo que a continuación se explican los dispositivos más importantes utilizados para lograr continuidad en el servicio eléctrico y seguridad para las personas Los relevadores La función del relevador es la de detectar una condición anormal de operación y actuar sobre el elemento de desconexión, que es el interruptor, los relevadores constituyen el elemento más importante de un esquema de protección y responden a distintos tipos de señales, pero en cualquier caso, dentro de un esquema de protección deben satisfacer las siguientes condiciones básicas: a) Rapidez de operación.- un relevador debe de actuar tan rápido como sea posible ante una condición de falla, esto con el fin de evitar daños al sistema en su conjunto a cualquiera de sus componentes (transformadores, secuenciadores, motores, etc) los tiempos de operación de los relevadores se expresan por lo general en ciclos referidos a la frecuencia de operación del sistema y normalmente deben actuar entre 1 y 3 ciclos que a una frecuencia de 60 Hz por ejemplo para 3 ciclos representa: Para controlar la rapidez de la operación de los relevadores de acuerdo a la condición de protección de un sistema, se establece el llamado criterio de coordinación de protecciones que da la selectividad apropiada, es decir el orden y tiempo de operación de las protecciones. b) Sensibilidad.- una protección debe responder a una condición de falla dentro del rango de tiempo del ajuste del relevador. Si lo hace antes o después de este rango, su operación es incorrecta y le dice que es una operación indeseable, a esta condición de la operación dentro de su rango se le conoce como sensibilidad. c) Seguridad.- por seguridad se entiende a la incertidumbre de que un relevador no va a fallar en su operación cuando sea requerido, es decir que bajo cualquiera condición dentro de su especificación actúe. d) Confiabilidad.- la confiabilidad es un concepto probabilístico por que se refiere a que un relevador en prueba de laboratorio, dentro de su rango de operación actúe con un porcentaje mínimo de falla. Debido a que la importancia de un sistema o red eléctrica se requiere de un alto rango de confiabilidad en su conjunto, es necesario que se elimine prácticamente el 100% de su incertidumbre en la operación de la protección Tipos de relevadores Los relevadores para su estudio y aplicación se pueden clasificar por su función y por la tecnología de construcción. Se clasifican en atención a la respuesta que tienen de acuerdo al tipo de señal que reciben y se pueden agrupar como sigue: a) Por su función: 3 ciclos/( 60 ciclos /segundo ) = ½ segundos Relevadores de sobrecorriente.- son los que responden a una señal de sobrecorriente que excede a su valor previamente especificado y que se conoce como corriente de operación. Relevadores de tensión.- actúan con una señal de sobretensión o baja tensión de la frecuencia del sistema (50 Hz ò 60 Hz). 10

12 Relevador de cociente o producto.- estos generalmente reciben 2 señales y los integran según sea el tipo de falla que se desea detectar, por ejemplo las señales de tensión y corriente. De cociente : V / I = Z Relevador de impedancia. I / V = Y Relevador de admitancia. V / Fr = tensión / frecuencia = Volts / Hertz De producto: V X I = Watts tensión X corriente = Watts. Relevadores de diferencia.- a estos se les conoce como diferenciales y se pueden comparar para obtener diferencias entre cantidades de la misma unidad por ejemplo: Si comparan corriente son diferenciales de corriente. Si comparan tensiones son diferenciales de tensiones. Relevador de temperatura.- son aquellos que a través de sensores primarios que están en contacto con el elemento a proteger, detectan elevaciones de temperatura. Relevador de sobre presión.- Estos se usan normalmente en los transformadores y sirven para detectar señales de sobrepresión en partes que son resultantes de alguna condición de falla interna. b) Por su tecnología: Electromecánico De estado solido Digitales. Funcionalmente cualquiera de las tecnologías antes mencionadas satisface los requerimientos de la protección, pero desde el punto de vista de la operación los relevadores de tipo digital a base de microprocesadores son mas precisos, muy fáciles de adjuntar un arreglo de protecciones completo se encuentra alojado en el CPU de una computadora. Un relevador es un elemento que cumple con una función específica en forma independiente de su tecnología. 1.4 Interruptores Los elementos que cierran un esquema de protección para los fines de la interrupción de corriente de falla y que actúan de acuerdo con una señal de los relevadores son los interruptores. Por lo general se clasifican de acuerdo con el medio de extinción del arco eléctrico que se presenta durante la desconexión de la falla. Todos los interruptores, cualquiera que sea su tipo reciben la señal del relevador a través de un circuito de control, que está alimentada por un circuito de corriente directa CD a 120 V ó 250 V como se muestra en la figura 1.1: R INTERRUPTOR CIRCUITO DE CONTROL Fig Forma de recepción de la señal a un interruptor por medio de un relevador 11

13 Los interruptores pueden ser: En gran volumen de aceite En pequeño volumen de aceite Neumáticos (con chorro de aire) En Hexafloruro de Azufre (SF6) En vacio En aire y soplo magnético Interruptores en pequeño y gran volumen de aceite. Los interruptores en gran volumen de aceite y pequeño volumen de aceite tienen poco uso en la actualidad aún cuando existen algunos instalados en los sistemas eléctricos. Su forma de interrumpir es cuando al abrir el interruptor se crea un arco eléctrico entre el contacto fijo y el contacto móvil, es ahí entre dichos contactos que envía un chorro de aceite que sirve para interrumpir el arco eléctrico quedando libre de corriente la parte desconectada Interruptor neumático y en Hexafloruro de Azufre. Los interruptores neumáticos tienen ventajas de operación y capacidad de extinción sobre los interruptores de aceite de manera que los reemplazo durante un tiempo, pero tienen desventaja del alto costo de mantenimiento del equipo de productor de aire comprimido y también de las posibles fugas que conducen a operación incorrecta. Los interruptores en Hexafloruro de Azufre (SF6) es la tecnología en la que actualmente se usa en los sistemas de alta tensión ya que permiten una alta capacidad interruptiva y una rapidez de operación que disminuye el riesgo de transitorios de sobretensión. Por razones de costo estos interruptores se usan principalmente en sistemas de 115 kv y tensiones mayores Interruptores en vacío En los tipos de interruptores anteriores, el arco eléctrico se extingue por la circulación de un chorro de aceite entre los contactos fijos y móvil (en el caso de los de aceite), por la inyección de un chorro de aire a alta presión (en el caso de los neumáticos) o por la circulación del gran SF6 para los interruptores en Hexafloruro de Azufre. Los interruptores en vacio no usan ningún principio de tecnología de circulación de un medio dieléctrico a través de los contactos, en estos interruptores, cuando se recibe la señal de operación se crea el vacío entre contactos y con esto se elimina la trayectoria del arco eléctrico Interruptor termomagnético (de aire con soplo magnético) Estos interruptores cuentan con un sistema magnético de respuesta rápida ante sobrecorrientes abruptas (cortocircuitos), y una protección térmica basada en un bimetal que desconecta ante sobrecorrientes de ocurrencia más lenta (sobrecargas). Se emplean para proteger cada circuito de la instalación, siendo su principal función resguardar a los conductores eléctricos ante sobrecorrientes que pueden producir peligrosas elevaciones de temperatura. También se les conoce como electromagnético y en sí tienen una doble función; desconectar con sobrecargas en la parte térmica y con corrientes de corto circuito en donde el arco se presenta en aire pero se genera un campo magnético que desvía el arco para debilitar y acelera la extinción de la corriente. Estos interruptores tienen muchas variantes y se usan principalmente en aplicaciones industriales Interruptor o protector diferencial El interruptor diferencial es un elemento destinado a la protección de las personas contra los contactos indirectos. Se instala en el tablero eléctrico después del interruptor automático del circuito que se desea proteger, generalmente circuitos de enchufes, o bien, 12

14 se le puede instalar después del interruptor automático general de la instalación si es que se desea instalar solo un protector diferencial, si es así se debe verificar que la capacidad nominal (Amperes) del disyuntor general sea inferior o igual a la capacidad nominal (Amperes) del protector diferencial. El interruptor diferencial censa la corriente que circula por la fase y el neutro, que en condiciones normales debe ser igual. Si ocurre una falla de aislamiento en algún artefacto eléctrico, es decir, el conductor de fase queda en contacto con alguna parte metálica (conductora), y se origina una descarga a tierra, entonces la corriente que circulará por el neutro será menor a la que circula por la fase. Ante este desequilibrio el interruptor diferencial opera, desconectando el circuito. Estas protecciones se caracterizan por su sensibilidad (corriente de operación), es decir el nivel de corriente de fuga a partir del cual comienzan a operar, comúnmente este valor es de 30 miliamperes (0,003 A). Es muy importante recalcar que estas protecciones deben ser complementadas con un sistemas de puesta a tierra, pues de no ser así, el interruptor diferencial solo percibirá la fuga de corriente en el momento en que el usuario toque la carcaza energizada de algún artefacto, con lo que no se asegura que la persona no reciba una descarga eléctrica. El interruptor diferencial es un aparato cuya misión es desconectar una red de distribución eléctrica, cuando alguna de sus fases se pone a tierra, bien sea directamente o a través de humedades generalmente. El interruptor diferencial se activa al detectar una corriente de defecto Id, que sea superior a su umbral de sensibilidad Is. El interruptor diferencial, según se ve en la figura 1.2, consta de un transformador, cuyo primario esta formado por todas las fases de la red, incluido el neutro, que atraviesan un núcleo toroidal (T), y el arrollamiento secundario está formado por una pequeña bobina (S), el arrollamiento secundario (S) se conecta luego a un relé que actúa sobre el mecanismo de desconexión del interruptor (B). Todo ello se halla contenido en una caja aislante, con bornes de entrada y salida de red, y pueden ser: Monopolares, Bipolares, Tripolares y Tetrapolares, estos últimos para redes trifásicas con neutro distribuido Secundario Del Transformador Interruptor diferencial Interruptor diferencial Puesta a tierra Fig. 1.2 Funcionamiento y conexión del interruptor diferencial En la figura 1.3, se ve el funcionamiento, con un ejemplo monofásico, muy fácil de entender. Así a la vista del dibujo, en el cual la primera figura representa la red en buen estado y la segunda con la fase S a tierra, tenemos: 13

15 Red en buen estado: Is + It = Id = 0 A Red con fase a tierra: Is + It = Id = 0,7 A Fig. 1.3 Ejemplo de funcionamiento del interruptor diferencial Donde Is es la corriente de la fase S It es la corriente de la fase T o a tierra. Id es la corriente resultante de defecto. En general, las protecciones son diseñadas para operar en dos formas distintas: como Protecciones Unitarias para detectar fallas en una zona de protección o como Protecciones Graduadas para detectar fallas en más de una zona de protección. Las Protecciones Unitarias se caracterizan por lo siguiente: Son totalmente selectivas porque sólo detectan fallas en su zona de protección. No pueden desempeñar funciones de protección de respaldo porque no son sensibles a fallas fuera de su zona de protección. Operan bajo el principio diferencial calculando la diferencia entre las corrientes que entran y salen de la zona protegida, ya que esta diferencia indica que hay una corriente que fluye por una falla dentro de esta zona. Las Protecciones Graduadas se caracterizan por lo siguiente: 1. Son relativamente selectivas porque detectan fallas en más de una zona de protección. 2. Desempeñan funciones de protección de respaldo porque son sensibles a fallas en las zonas vecinas a su zona de protección. 3. Operan midiendo las corrientes, tensiones, impedancias, etc., cuya graduación establecer la graduación de su tiempo de actuación. 1.5 Protecciones contra sobrecorriente Se denomina cortocircuito a la unión de dos conductores o partes de un circuito eléctrico, con una diferencia de potencial o tensión entre si, sin ninguna impedancia eléctrica entre ellos. Este efecto, según la Ley de Ohm, al ser la impedancia cero, hace que la intensidad tienda a infinito, con lo cual peligra la integridad de conductores y máquinas debido al calor generado por dicha intensidad, debido al efecto Joule. En la práctica, la intensidad producida por un cortocircuito, siempre queda amortiguada por la resistencia de los propios conductores que, aunque muy pequeña, nunca es cero. I = V / Z (si Z es cero, I = infinito) ec. (1) 14

16 Según los reglamentos electrotécnicos, "en el origen de todo circuito deberá colocarse un dispositivo de protección, de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en la instalación". No obstante se admite una protección general contra cortocircuitos para varios circuitos derivados. Los dispositivos mas empleados para la protección contra cortocircuitos son: Fusibles calibrados (también llamados cortacircuitos), o Interruptores automáticos magnetotérmicos Fusibles o cortacircuitos Los fusibles o cortacircuitos, según se ve en la figura 1.4, no son más que una sección de hilo más fino que los conductores normales, colocado en la entrada del circuito a proteger, para que al aumentar la corriente, debido a un cortocircuito, sea la parte que mas se caliente, y por tanto la primera en fundirse. Una vez interrumpida la corriente, el resto del circuito ya no sufre daño alguno. I Fig. 1.4 Fundamento del corto circuito o fusible Antiguamente los fusibles eran finos hilos de cobre o plomo, colocados al aire, lo cual tenía el inconveniente de que al fundirse saltaban pequeñas partículas incandescentes, dando lugar a otras averías en el circuito. Actualmente la parte o elemento fusible suele ser un fino hilo de cobre o aleación de plata, o bien una lámina del mismo metal para fusibles de gran intensidad, colocados dentro de unos cartuchos cerámicos llenos de arena de cuarzo, con lo cual se evita la dispersión del material fundido; por tal motivo también se denominan cartuchos fusibles. Los cartuchos fusibles son protecciones desechables, cuando uno se funde se sustituye por otro en buen estado. Los cartuchos fusibles también pueden mejorarse aplicándole técnicas de enfriamiento o rapidez de fusión, para la mejor protección de los diferentes tipos de circuitos que puede haber en una instalación, por lo cual y dentro de una misma intensidad, atendiendo a la rapidez de fusión, los cartuchos fusibles se clasifican según la tabla 1.1. TABLA TIPOS DE CARTUCHOS TIPO SEGÚN NORMA UNE OTRAS DENOMINACIONES FUSIBLES RÁPIDOS gf gl, gi, F, FN, Instanfus FUSIBLES LENTOS gt T, FT, Tardofus FUSIBLES DE ACOMPAÑAMIENTO am A, FA, Contanfus 15

17 Fusibles Si llamamos If a la intensidad a la cual ha de fundir un fusible, los tres tipos antes mencionados, se diferencian en la intensidad que ha de atravesarlos para que fundan en un segundo. Los fusibles lentos funden en un segundo para I = 5 If Los fusibles rápidos funden en un segundo para I = 2,5 If Los de acompañamiento funden en un segundo para I = 8 If Los fusibles de acompañamiento (am) se fabrican especialmente para la protección de motores, debido a que soportan sin fundirse las puntas de intensidad que estos absorben en el arranque. Su nombre proviene de que han de ir acompañados de otros elementos de protección, como son generalmente los relés térmicos. Cada cartucho fusible tiene en realidad unas curvas de fusión, que pueden diferir algo de las definiciones anteriores, dadas por los fabricantes. En la figura 1.5, se muestran algunos tipos de cartuchos fusibles, así como curvas de fusión orientativas, de los tres tipos existentes. Figura 1.5 Tipos de cartuchos y curvas orientativas de fusión Los fusibles lentos (gt) son los menos utilizados, empleándose para la protección de redes aéreas de distribución generalmente, debido a los cortocircuitos momentáneos que los árboles o el viento pueden hacer entre los conductores. Los fusibles rápidos (gf) se emplean para la protección de redes de distribución con cables aislados y para los circuitos de alumbrado generalmente. Los fusibles de acompañamiento (am), como ya se ha dicho, son un tipo especial de cortacircuitos, diseñado para la protección de motores eléctricos Interruptores automáticos ó magnetotérmicos Estos dispositivos, conocidos abreviadamente por PIA (Pequeño Interruptor Automático), se emplean para la protección de los circuitos eléctricos, contra cortocircuitos y sobrecargas, en sustitución de los fusibles, ya que tienen la ventaja de que no hay que reponerlos; cuando se desconectan debido a una sobrecarga o un cortocircuito, se rearman de nuevo y siguen funcionando. 16

18 Según el número de polos, se clasifican éstos en: unipolares, bipolares, tripolares y tetrapolares, estos últimos se utilizan para redes trifásicas con neutro. En la figura 1.5, se ve la parte correspondiente a una fase de uno de estos interruptores, dibujado en sección, para que se vean mejor sus principales órganos internos. Estos aparatos constan de un disparador o desconectador magnético, formado por una bobina, que actúa sobre un contacto móvil, cuando la intensidad que la atraviesa rebasa su valor nominal (In). Éste es el elemento que protege la instalación contra cortocircuitos, por ser muy rápido su funcionamiento, y cada vez que desconecta por este motivo debe de rearmarse (cerrar de nuevo el contacto superior), bien sea manual o eléctricamente. También poseen un desconectador térmico, formado por una lámina bimetálica, que se dobla al ser calentada por un exceso de intensidad, y aunque mas lentamente que el dispositivo anterior, desconecta el contacto inferior del dibujo. Esta es la protección contra sobrecargas y su velocidad de desconexión es inversamente proporcional a la sobrecarga. Cuando la desconexión es por efecto de una sobrecarga, debe de esperarse a que enfríe la bilámina y cierre su contacto, para que la corriente pase de nuevo a los circuitos protegidos. Los interruptores automáticos magnetotérmicos, se emplean mucho domésticamente y para instalaciones de Baja Tensión en general y suelen fabricarse para intensidades entre 5 y 125 amperios, de forma modular y calibración fija, sin posibilidad de regulación. Para intensidades mayores, en instalaciones industriales, de hasta A o mas, suelen estar provistos de una regulación externa, al menos para el elemento magnético, de protección contra cortocircuitos como se muestra en la figura 1.6 Tiempo (s) Borne de conexión entrada Rearme Borne de conexión entrada Contacto fijo Contacto móvil Bobina de desconexión magnético. Bimetal desconexión térmica. Símbolos Curva de fusión, tipo C Fig Interruptor magnético (PIA) Características de desconexión: Existen varios tipos de estos interruptores automáticos magnetotérmicos o PIA, definidos por sus características de desconexión tiempo-intensidad, en cuanto a la desconexión contra cortocircuitos se refiere (desconexión magnética), para una mejor protección de los distintos tipos de circuitos a proteger. Los tipos que hay actualmente en el mercado son muchos, atendiendo a diversas y variadas normas (EN, UNE, CEI, etc.), por lo cual los vamos a clasificar en dos columnas, en una ponemos los más antiguos, pero aun muy utilizados, y en la otra los mas 17

19 actuales, normalizados en la norma europea, y siendo In su intensidad nominal y para que desconecten en un tiempo máximo de 0,1 segundos son los referidos en la tabla 1.2. TABLA TIPOS Y CARACTERISTICAS DE LOS PIAs MAS ANTIGUOS NORMALIZADOS EN Y LIMITES DE DESCONEXION L U G ENTRE 2,4 Y 3,5 ln ENTRE 3,5 Y 8,0 ln ENTRE 7,0 Y 10 ln B C D MA Z ENTRE 3 Y 5 ln ENTRE 5 Y 10 ln ENTRE 10 Y 20 ln FIJO A 12 ln ENTRE 2,4 Y 3,6 ln ICP-M ENTRE 5 Y 8 ln Los tipos L y B se emplean para la protección de redes grandes de cables y generadores. Los tipos U y C se emplean para la protección de receptores en general y líneas cortas. El tipo G se emplea para la protección de los motores y transformadores en general. El tipo D se emplea para la protección de cables y receptores con puntas de carga muy elevadas. El tipo MA es un diseño especial para la protección de motores. El tipo Z es un diseño especial para la protección de circuitos electrónicos. El tipo ICP-M (Interruptor de Control de Potencia con reenganche Manual), es un diseño especial, para el control de potencia por las compañías distribuidoras. Aunque su función principal es de tarifación eléctrica, también se puede emplear como interruptor magnetotérmico de protección general. Otra característica a tener en cuenta, cuando hemos de seleccionar un interruptor magnetotérmico, es su poder de corte en carga, que puede ser distinto dentro de un mismo tipo de curva de desconexión. Los valores de fabricación más normales de la intensidad máxima que pueden cortar, ante un cortocircuito, son: 1,5; 3; 4,5; 6; 10; 15; 20; y 25 ka Protección contra sobrecargas Se entiende por sobrecarga al exceso de intensidad en un circuito, debido a un defecto de aislamiento o bien, a una avería o demanda excesiva de carga de la máquina conectada a un motor eléctrico. Las sobrecargas deben de protegerse, ya que pueden dar lugar a la destrucción total de los aislamientos, de una red o de un motor conectado a ella. Una sobrecarga no protegida degenera siempre en un cortocircuito. Según los reglamentos electrotécnicos "Si el conductor neutro tiene la misma sección que las fases, la protección contra sobrecargas se hará con un dispositivo que proteja solamente las fases, por el contrario si la sección del conductor neutro es inferior a la de las fases, el dispositivo de protección habrá de controlar también la corriente del neutro". Además debe de colocarse una protección para cada circuito derivado de otro principal. Los dispositivos mas empleados para la protección contra sobrecargas son: Fusibles calibrados, tipo gt o gf (nunca am) Interruptores automáticos magnetotérmicos (PIA) Relés térmicos 18

20 Para los circuitos domésticos, de alumbrado y para pequeños motores, se suelen emplear los dos primeros, al igual que para los cortocircuitos, siempre y cuando se utilice el tipo y la calibración apropiada al circuito a proteger. Por el contrario para los motores trifásicos se suelen emplear los llamados relés térmicos, cuya construcción, funcionamiento y utilización se verán en el capitulo siguiente. 1.6 Peligros de la corriente eléctrica Bajo los efectos de una corriente eléctrica, puede sobrevenir la muerte de una persona, por las causas siguientes: Paralización del corazón Atrofia de los músculos del tórax (asfixia) Carbonización de los tejidos Electrólisis de la sangre (solamente en c.c.), etc Aunque los cuerpos humanos reaccionan de diferente manera unos de otros y dependiendo de las condiciones del momento, podemos decir que la corriente eléctrica empieza a ser peligrosa, cuando atraviesan el cuerpo humano más de 25 ma, durante más de 0,2 segundos. Se ha comprobado que la resistencia del cuerpo humano, con piel sana y seca, depende de la tensión que se le aplique, pudiendo variar entre y Ohms. Esta resistencia también disminuye debido a la humedad, la transpiración, las heridas superficiales, al aumentar la masa muscular de las personas, si el contacto es inesperado, etc. También y por causas aun desconocidas se sabe que en las altas frecuencias la corriente eléctrica deja de ser peligrosa para el cuerpo humano (a partir de unos Hz aproximadamente), y por tal motivo se emplea mucho en electromedicina. Debido a todo lo anteriormente expuesto, cuando se hacen cálculos sobre la seguridad contra electrocución, y con el fin de trabajar con un buen margen de seguridad, se considera que la resistencia del cuerpo humano es de Ohms. Por eso los reglamentos electrotécnicos fijan como tensiones peligrosas, exigiendo la instalación de protecciones contra electrocución, las siguientes: 50 V, con relación a tierra, en locales secos y no conductores. 24 V, con relación a tierra, en locales húmedos o mojados. 15 V, en instalaciones para piscinas Sistemas de protección de puesta a tierra Frente a los peligros de la corriente eléctrica, la seguridad de las personas, ha de estar fundamentada en que nunca puedan estar sometidas involuntariamente a una tensión peligrosa. Por tal motivo, para la protección contra electrocución deben de ponerse los medios necesarios para que esto nunca ocurra. La reglamentación actual clasifica las protecciones contra contactos indirectos, que pueden dar lugar a electrocución en dos clases: Clase A: Esta clase consiste en tomar medidas que eviten el riesgo en todo momento, de tocar partes en tensión, o susceptibles de estarlo, y las medidas a tomar son: Separación de circuitos Empleo de pequeñas tensiones de seguridad (50, 24 o 15 V) Separación entre partes con tensión y masas metálicas, por medio de aislamientos Inaccesibilidad simultanea entre conductores y masas Recubrimiento de las masas con elementos aislantes Conexiones equipotenciales Clase B: Este sistema que es el más empleado, tanto en instalaciones domésticas como industriales, consiste en la puesta a tierra de las masas, asociada a un dispositivo de corte automático (relé o controlador de aislamiento), que desconecte la instalación defectuosa. 19

21 Por ello se emplean principalmente dos tipos de protecciones diferentes, a saber: Puesta a tierra de las masas Relés de control de aislamiento, que a su vez pueden ser: Interruptores diferenciales, para redes con neutro a tierra. Relés de aislamiento, para redes con neutro aislado Puesta a tierra de las masas metálicas de la instalación. Se denomina puesta a tierra a la unión eléctrica, entre todas las masas metálicas de una instalación y un electrodo, que suele ser generalmente una placa o una pica de cobre o hierro galvanizado (o un conjunto de ellos), enterrados en el suelo, con el fin de conseguir una perfecta unión eléctrica entre masas y tierra, con la menor resistencia eléctrica posible, como se ve en la figura 1.7. Con esto se consigue que en el conjunto de la instalación no puedan existir tensiones peligrosas entre masas y tierra. Figura 1.7 Conexiones de puesta a tierra de las masas Con la puesta a tierra se trata que las corrientes de defecto a tierra (Id), tengan un camino más fácil, que el que tendría el cuerpo de una persona que tocara la carcasa metálica bajo tensión. Por tanto como la red de tierras ha de tener una resistencia mucho menor que la del cuerpo humano, la corriente de defecto circulará por la red de tierra, en vez de hacerlo por el cuerpo de la persona, tal como se aprecia en la figura 1.8. Sin puesta tierra PELIGRO con puesta a tierra PROTECCION Figura 1.8 Principios de la protección con puesta a tierra 20

22 En las instalaciones industriales deben de realizarse tomas de tierra independiente para: las masas metálicas de los aparatos eléctricos, para la conexión de los neutros de los transformadores de potencia y para la conexión de los descargadores o pararrayos. En las instalaciones domésticas y de edificios en general se conectarán a la toma de tierra: Las instalaciones de pararrayos Las instalaciones de antenas, tanto de TV como de FM Los enchufes eléctricos y las masas metálicas de aseos, baños y cocinas Las instalaciones ejecutadas con tubos metálicos de: fontanería, calefacción y gas, así como calderas, depósitos, instalaciones de ascensores y montacargas, y en general todo elemento metálico que pueda entrar en contacto con un cable bajo tensión Las estructuras metálicas y las armaduras de columnas y muros de hormigón Tipo de toma de tierra Dependerá generalmente, de la resistencia del terreno y de las dificultades de instalación de uno u otro tipo, para conseguir una baja resistencia de contacto a tierra. El tipo más empleado tanto doméstica como industrialmente es el que se hace con picas hincadas verticalmente en el terreno, de 1,5 o 2 metros de longitud generalmente. Existen muchas tablas y fórmulas para calcular las tomas de tierra, según sea el tipo de terreno o el tipo de electrodo empleado, pero son métodos laboriosos y poco exactos, por lo cual lo que se suele hacer en la práctica es medir la resistencia de la toma de tierra una vez realizada, y si aun es grande se coloca una pica o varias mas y se mide de nuevo. Esta es mejor colocarlas separadas unas de otras, al menos 2 metros, para conseguir menor resistencia de contacto. 21

23 CAPITULO 2 Coordinación de protecciones. En el capitulo anterior, se enfocó en dar a conocer las protecciones en general, sus funciones y formas de operación, puesto que es lo interesante de este proyecto y el punto de partida para poder realizarse es por eso que ya al contar con esta información en este capitulo se enfoca a la coordinación de las protecciones de una red eléctrica, se ve cuales son las consideraciones para realizar la coordinación. En el diseño de sistemas industriales de alimentación frecuentemente se pasan por alto la selección y coordinación apropiada de los dispositivos. La coordinación adecuada de los dispositivos protectores evita daños al equipo, costosos tiempos muertos y daños personales, las fallas en los sistemas de distribución de energía eléctrica pueden causar pérdidas de potencia en máquinas, computadoras, laboratorios y muchos otros servicios, dando como resultado pérdidas de tiempo de producción. El estudio de coordinación de protecciones para una red eléctrica es empleado para: asegurar la operación durante condiciones normales de operación. asegurar que el sistema se mantenga en equilibrio durante las sobre corrientes normales de operación, como son; corrientes de magnetización en transformadores y corrientes de arranque en motores. asegurar la operación selectiva de los dispositivos de protección. asegurar que únicamente salga de operación la parte del sistema en la cual ocurra una falla y dejar el resto del sistema en operación. Con lo anterior se asegura que la red de distribución tendrá la máxima continuidad de servicio eléctrico. La planificación, el diseño y la operación de las redes eléctricas, requiere de estudios para evaluar su comportamiento, confiabilidad y seguridad. Estudios típicos que se realizan son: flujos de potencia, estabilidad, coordinación de protecciones, cálculo de cortocircuito, etc. Un buen diseño debe estar basado en un cuidadoso estudio en que se incluye la selección de tensión, adecuado tamaño del equipamiento y selección apropiada de protecciones. La mayoría de los estudios necesita de un complejo y detallado modelo que represente al sistema de potencia, generalmente establecido en la etapa de proyecto. Los estudios de cortocircuito son típicos ejemplos de éstos, siendo esencial para la selección de equipos, y el ajuste de sus respectivas protecciones. La duración del cortocircuito es el tiempo en segundos o ciclos durante el cual, la corriente de cortocircuito circula por el sistema. El fuerte incremento de calor generado por tal magnitud de corriente, puede destruir o envejecer los aislantes del sistema eléctrico, por lo tanto, es de vital importancia reducir este tiempo al mínimo mediante el uso de las protecciones adecuadas. 2.1 Objetivo de la Coordinación de protecciones. Se entiende que coordinación de protecciones corresponde al hecho de establecer selectividad temporal entre las protecciones de sobrecorriente que ven una misma falla. Dicho de modo gráfico, es conseguir que una falla sea despejada por la protección de sobrecorriente que está más próxima a ella en el sentido del flujo de la corriente y si es necesario aislar completamente al equipo de dicha falla. Para ilustrar a esta definición se recurrirá a un ejemplo de una red eléctrica, la cual está representada en la figura 2.1 en forma de un diagrama unifilar. 22