COORDPROTECCION.pdf

INSTITUTOPOLITCNICONACIONAL

ESCUELASUPERIORDEINGENIERAMECNICAYELCTRICA

DEPARTAMENTODEINGENIERAELCTRICA

COORDINACINDEPROTECCIONESPARAUNSISTEMAELCTRICOINDUSTRIAL

TESIS

QUEPARAOBTENERELTTULODEINGENIEROELECTRICISTA

PRESENTAN

ROMNGALVNHERNNDEZFRANCISCOJAVIERROSASREYES

JORGESANTANAGARCA

ASESORES:

Dr.DAVIDSEBASTINBALTAZARM.enC. RENTOLENTINOESLAVA

MXICO,D.F. DICIEMBRE 2009

AGRADECIMIENTOS

NDICERESUMEN........................................................................................................................i

INTRODUCCIN..............................................................................................................ii

OBJETIVO.......................................................................................................................iv

RELACINDEFIGURAS ...............................................................................................v

RELACINDETABLAS.................................................................................................ix

CAPTULOIPROTECCIONESPARAUNSISTEMAELCTRICO

1.1 Generalidadesdelosfusibles..........................................................................1

1.1.1 Clasificacindelosfusible ...................................................................3

1.1.2 Curvascaractersticasdelosfusible...................................................11

1.2 Relevadoresdeproteccin ............................................................................16

1.3 Interruptorestermomagnticosyelectromagnticos .....................................25

CAPTULOIICLCULODECORTOCIRCUITO

2.1 Clasificacindelasfallaselctricasindustriales...........................................29

2.2 Fuentesycomportamientotransitoriodelascorrientesdecortocircuito ......35

2.2.1 Fuentesquecontribuyenalafalla......................................................35

2.2.2 Reactanciadelasmquinasrotatorias ...............................................38

2.3 Criteriosdeaplicacinenlaseleccindeprotecciones.................................40

2.3.1 Caractersticasdelosdispositivosdeproteccin................................41

2.3.2 Esquemasdeproteccin.....................................................................43

2.4 Mtodo de valores en por unidad para el clculo de corrientes de

cortocircuito ...................................................................................................44

2.4.1 Cambiodebaseparalosvaloresenporunidad .................................45

2.4.2 Clculosdelascorrientesdefallatrifsicasdelsistema ....................50

2.4.3 Clculosdelascorrientesdefallamonofsicasdelsistema..............58

CAPTULOIIISELECCINDEPROTECCINPARAEQUIPOSELCTRICOS

3.1 Transformadores ...........................................................................................62

3.1.1 CurvaANSI.(AmericanNationalStandardInstitute)...........................62

3.1.2 LimitesNEC(NationalElectricCode) ................................................65

3.1.3 SeleccindeproteccindelosTransformadores...............................66

3.2 Motoreselctricos..........................................................................................87

3.2.1 Proteccindemotores ........................................................................88

3.2.2 Curvasdearranque............................................................................90

3.2.3 Seleccindeproteccinenlosmotoreselctricos..............................92

3.3 Conductoreselctricos ................................................................................107

3.3.1 Proteccindeconductoreselctricos................................................107

3.3.2 Curvasdedaodeconductoreselctricos .......................................108

3.3.3 Seleccindeproteccionesdeloscables..........................................114

CAPTULOIVCOORDINACINDEPROTECCIONES

4.1 Coordinacindeproteccionesenunsistemaelctricoindustrial.................116

4.1.1 Coordinacinfusiblerelevador........................................................118

4.1.2 Coordinacinrelevador fusible.......................................................124

4.1.3 Coordinacinfusible fusible ...........................................................125

4.1.4 Coordinacinfusibleinterruptor ........................................................127

4.1.5 Coordinacinrelevadorrelevador ...................................................128

4.2 Coordinacindeproteccionesparalaproteccindeequiposelctricos .....128

4.3 SimulacinsoftwareDigsilentPowerFactoryversin13.1.........................144

4.4 Comparacinderesultados .........................................................................147

CONCLUSIONES........................................................................................................ 157

REFERENCIAS........................................................................................................... 158

ANEXOACurvastiempocorrientededispositivosdeproteccin...................... 160

ANEXOBSeleccindeprotecciones ...................................................................... 168

ANEXOCCoordinacindeproteccionesporgraficacin ..................................... 187

ANEXODCoordinacindeproteccionesconDigsilentPowerFactory ............... 199

i

RESUMEN

En el presente trabajo se analiz la coordinacin de protecciones para un sistema

elctrico industrial,dondese requirierondiferentes tipos dedispositivosdeproteccin

paraladeteccinymitigacindelascondicionesdefalla,enelcuallosdispositivosde

proteccindebendeserdimensionadosycoordinadosde tal formaquesolo debede

operareldispositivodeproteccinqueseencuentremscercaalafalla,siporalguna

razneldispositivonoopera,entoncesdebedeoperarelsiguiente.

Serealizelestudiodecortocircuitoparaconocerlascorrientesmximasquecirculan

encadaunode loselementosdelsistemaencasodealguna falla, Los resultadosde

dichoestudiopermitenevaluaryespecificar lacapacidadde losequiposdemaniobra

responsablesdedespejarlascorrientesdefalla(fusibles, interruptoresyrelevadores),

analizarlosnivelesdecorrientedefallaalosqueestarnexpuestosloscomponentes

del sistema (transformadores, cables, motores), y son insumos para los ajustes y

coordinacindelasprotecciones.

La coordinacin de protecciones tiene como objetivo verificar la configuracin de los

esquemasdeproteccin, analizar los ajustes existentes y determinar los ajustes que

garanticen despejar selectivamente las fallas en el menor tiempo posible. El

procedimientodecoordinacindeprotecciones,consisteenelanlisisgraficodondese

involucran las curvas caractersticas de los dispositivos de sobrecorriente que se

encuentranenserie,parapoderasgarantizarqueelsistemaesselectivo.

Enbasealosestudiosrealizados,podemosconcluirqueseobtuvolacoordinacinde

proteccionesparaunsistemaelctricoindustrialquegarantizalacorrectaoperacinde

los diferentes dispositivos de proteccin del sistema cuando se presente una falla,

garantizandoas que los equiposno sufrandaoalguno,o queel dao seamnimo,

salvaguardandolaintegridadhumanaqueseencuentrenenelentornoygarantizando

lacontinuidaddeproduccindedichaindustria.

ii

INTRODUCCIN

Laevolucinsocial,culturalyeconmicadelahumanidadestrelacionadantimamente

coneldominiodelaenergaelctrica, lacuales laprincipalherramientaqueutilizael

hombreparasudesarrollo.Porotraparte,lacrecientetendenciaaunautomatismode

los procesos industriales y las actividades comerciales exigen cada vez ms un

suministrodeenergaconaltogradodeconfiabilidad,esporelloqueserequieredeun

sistema de protecciones para evitar o detectar de manera oportuna una situacin

anormalodefalla.

La prevencin de la lesin humana es el objetivo ms importante de un sistema

elctrico de proteccin, la seguridad del personal tiene prioridad an por encima del

equipo o maquinaria, por lo cual al seleccionar un equipo de proteccin este debe

poseer una capacidad de interrupcin adecuada para no exponer al personal a

explosiones,fuego,arcoselctricosodescargas.Undispositivodeproteccintambin

debetenerlacapacidaddeactuarconrapidezanteunafalla,asimismodebesercapaz

deminimizarlacorrientedecortocircuitoyaislarlaporcinafectada,paraimpedirque

eldaosepropagueatodoelsistemaelctrico,ydeestamaneraevitarquelosdaos

seanconsiderables.

Actualmentelosdispositivosdeproteccinparaunsistemaelctricoindustrialsonlos

interruptores termomagnticos, interruptores electromagnticos, relevadores de

sobrecarga, relevadores diferenciales as como los fusibles. Cada uno de las

protecciones son utilizadas para resguardar los equipos que integran al sistema

industrialloscualespuedenserlostransformadores,motoresycables.Paraevitaruna

condicin anormal del sistema elctrico industrial se emplea la coordinacin de

protecciones, cuya caracterstica es hacer ms seguro al sistema de proteccin,

medianteelarregloycombinacindedispositivosdeproteccinparadetectaryliberar

lafallaenelmenortiempoposible.

iii

Lacoordinacindeproteccionesconsisteenprocurarquelosdispositivosdeproteccin

sean selectivos, es decir que solo debe operar el dispositivo de proteccin que se

encuentrems cercaa la falla, si por alguna razn eldispositivo noopera, entonces

debe de operar el siguiente. Para lograr una operacin selectiva, se debe de tener

cuidado de seleccionar los dispositivos de proteccin, con las caractersticas

interruptivasapropiadasyelconocimientodesuscurvastiempocorriente,decadauno

delosdispositivosdeproteccinaemplear,siendodeestamaneraqueenelcaptulo

unosepresentanalgunosdispositivosdeproteccinloscualessonempleadosparala

proteccin de sistemas industriales y comerciales. Cuando no se realiza una

coordinacincorrecta,sepresentaundesempeoinsatisfactorioeinadecuado,queno

satisface los requerimientos de seguridad necesarios, produciendo daos al equipo y

componentesdelsistemaelctricoademsdegenerarprdidaseconmicas.

Por talmotivo, la finalidaddeesteproyecto,esproporcionar la informacinnecesaria

paraqueelusuariopuedaseleccionarlasproteccionesadecuadasparasuinstalacino

sistema elctrico por medio de coordinacin de protecciones tomando en cuenta el

nivel de tensin elctrica. Otro de los aspectos importantes que se desea con este

trabajoesladeproporcionarloselementosfundamentalesdeinformacin,comoapoyo

en la manera y metodologa para realizar la seleccin y coordinacin de las

proteccionesquesedeseaninstalarenelsistemaelctrico.

Lacoordinacinsellevoacaboenunsistemaelctricoindustrialconectadoaunnivel

detensinde13,8kV,fuenecesarioseguir lasrecomendacionesdela IEEEStd.242.

(1986, 2001.), para la proteccin y coordinacin de un sistema elctrico industrial y

comercial,deestamanera se verificaron losparmetros necesariospara obtenerun

buen desempeo de los dispositivos de proteccin. Se implemento el uso de un

software especializado para estos fines de nombre Digsilent Power Factory Versin

13.1.Paracomparar losresultadosobtenidosyverificarquefuerancorrectosadems

seemplearoncurvas tiempocorrienteobtenidasde los fabricantes,paracadaunode

losequiposutilizados.

iv

La metodologa seguida se presenta en los cuatro captulos que conforman este

trabajo.Elcaptulounopresentatodaslascaractersticasconlascualesdebecontarun

dispositivodeproteccinempleadoparalaproteccin.Enelcaptulodossepresentael

estudiodecortocircuito,paraelcualesnecesariocontarconeldiagramaunifilar,una

vezqueseobtienesecalculanlascorrientesdecortocircuitoencadaunodelospuntos

queseproteger.Unavezqueseconocenlosvaloresdecorrientedecortocircuito,los

dispositivosdeproteccindebenserseleccionadosdetalformaqueseancapacesde

librar la falla de cortocircuito, esto se presenta en el captulo tres. Finalmente se

procede a la coordinacin mediante el empleo de las curvas tiempocorriente de los

equiposdeproteccinyconociendolascurvasdedaodelosequiposaproteger,esto

sepresentaenelcaptulocuatrojuntoconlacomparacindelosresultadosobtenidos

mediantelacoordinacinanalticajuntoconlosobtenidosapartirdelsoftware.

OBJETIVO

Coordinarunsistemadeproteccionesparaunaredelctricaindustrial.

v

RELACINDEFIGURASCAPTULO1

Fig.1.1 Partesdeunfusible..................................................................................................... 1

Fig.1.2 Clasificacindelosfusibles......................................................................................... 3

Fig.1.3 FusibledesimpleexpulsintipoXSS&CElectricMexicana ....................................... 5

Fig.1.4 Fusibledetresdisparos.............................................................................................. 6

Fig.1.5 Fusibledevaco .......................................................................................................... 6

Fig.1.6 FusiblesdeltipolimitadordecorrienteAREVAT&Dpara1200A ............................... 7

Fig.1.7 Fusiblesenhexafluorurodeazufre(SF6).................................................................... 8

Fig.1.8 FusibletipoSMSpara20kAS&CElectricMexicana ................................................. 9

Fig.1.9 Curvapromedio,tiempocorriente ............................................................................. 13

Fig.1.10 Efectolimitadordecorrientedelosfusibles............................................................... 14

Fig.1.11 Accincaractersticadelfusiblelimitadordecorriente............................................... 15

Fig.1.12 Esquemabsicodeunrelevadordeproteccin ........................................................ 16

Fig.1.13 Relevadoresdeatraccinelectromagntica .............................................................. 19

Fig.1.14 Relevadordeinduccinelectromagntica ................................................................. 20

Fig.1.15 Relevadordesobrecorrienteestticotrifsicoinstantneoydetiempo..................... 22

Fig.1.16 Relevadordigitaldesobrecorriente ........................................................................... 23

Fig.1.17 Curvascaractersticasderelevadoresdesobrecorrientemicroprocesador ............... 24

Fig.1.18 Accindelinterruptorcondisparotrmico................................................................. 25

Fig.1.19 Accindelinterruptorcondisparomagntico ............................................................ 26

Fig.1.20 Accindelinterruptortermomagntico ...................................................................... 26

Fig.1.21 Curvadelinterruptortermomagnticopara250AdeSchneiderElectric ................... 27

Fig.1.22 Interruptorestermomagnticosindustriales ............................................................... 28

CAPTULO2

Fig.2.1 Condicindeoperacindeunmotor:a)Normal,b)Falla.......................................... 36

Fig.2.2 Corrientedecortocircuitoenunmotorsncrono ........................................................ 37

Fig.2.3 Corrientedecortocircuitoproducidaporungenerador .............................................. 38

Fig.2.4 Variacindecorrientedecortocircuitodeunamquinarotatoria............................... 40

Fig.2.5 Diagramaunifilardelsistemaelctricoindustrial ....................................................... 51

Fig.2.6 Diagramaequivalentedeimpedancias...................................................................... 55

Fig.2.7 Diagramadeimpedanciasdelasecuenciapositiva enporunidad.................... 55

Fig.2.8 Reduccinparaobtenerimpedancia deThveninenbarra1............................. 56

vi

Fig.2.9 Diagramadeimpedanciasdelasecuenciacero enporunidad ......................... 59

Fig.2.10 Reduccinparaobtenerimpedancia deThveninenbarra1............................. 59

CAPTULO3

Fig.3.1 CurvaANSIparatransformadores............................................................................. 63

Fig.3.2 Curvadedaoyenergizacindeunmotor ............................................................... 91

Fig.3.3 Clasificacindeconductoresdesnudos................................................................... 109

Fig.3.4 Curvadedaodeunconductordecobre1/0AWG................................................ 112

Fig.3.5 Curvadedaodeunconductordecobre3/0AWG................................................ 114

CAPTULO4

Fig.4.1 Diagramadeflujoparalacoordinacindeprotecciones.......................................... 117

Fig.4.2 Criteriodecoordinacinfusiblerelevador................................................................ 120

Fig.4.3 Factordecorreccin"kt"parafusiblesdepotenciadecualquiervelocidad ............. 121

Fig.4.4 Factordecorreccin"kt"parafusiblesdepotenciadevelocidadlenta .................... 121

Fig.4.5 Factordecorreccin"kp"parafusiblesdepotenciadecualquiervelocidad ............ 122

Fig.4.6 Factordecorreccin"kpparafusiblesdepotenciadevelocidadlenta .................... 122

Fig.4.7 Criteriodecoordinacinfusiblerelevador,aplicandofactoresdecorreccin........... 123

Fig.4.8 Criteriodecoordinacinrelevadorfusible................................................................ 125

Fig.4.9 Criteriodecoordinacinfusiblefusible ................................................................... 127

Fig.4.10 Criteriodecoordinacinfusibleinterruptortermomagntico .................................. 127

Fig.4.11 Criteriodecoordinacinrelevadorrelevador ........................................................... 128

Fig.4.12 Procesodeselectividadcuandoocurreunafalla..................................................... 129

Fig.4.13 Valoresdecorrientepara13,8kVysuproporcionalidada69kV............................ 130

Fig.4.14 Coordinacindeproteccionesparamotores1,2y3,transformador2ylnea2...... 133

Fig.4.15 Coordinacindeproteccionesparamotores4,5y6ytransformador3 ................. 134

Fig.4.16 Coordinacindeproteccionesparamotores7,8y9transformador4ylnea3....... 135

Fig.4.17 Coordinacindeproteccionesparalnea2,lnea3,transformador3ylnea1 ........ 136

Fig.4.18 Coordinacindeproteccionesparamotor10,11y12,transformador5ylnea4... 137

Fig.4.19 Coordinacindeproteccionesparamotor13ytransformador6.............................. 138

Fig.4.20 Coordinacindeproteccionesparamotor14,15ytransformador7........................ 139

Fig.4.21 Coordinacindeproteccionesparatransformador6,7ylnea5 ............................. 140

Fig.4.22 Coordinacindeproteccionesparamotores16,17,18,transformador8ylnea6.. 141

Fig.4.23 Coordinacindeproteccionesparamotores19,20,transformador9ylnea7........ 142

Fig.4.24 Coordinacindeproteccionesparalnea1,4,5,6,7ytransformador1 ....................144

vii

ANEXOA

A.1. Curvacaractersticadel interruptor termomagnticopara250ANFS250deFederal

PacificbySchneiderElectric ................................................................................... 161

A.2. Curvacaractersticadelinterruptorelectromagntico,700AdeSchneiderElectric 162

A.3. CurvaclaseCinversa ............................................................................................. 163

A.4. CurvaclaseCmuyinversa...................................................................................... 164

A.5. CurvaclaseCextremadamenteinversa .................................................................. 165

A.6. Curvas(TMF)delosfusibleslimitadoresdecorriente15kVMTPROTELEC ......... 166

A.7. Curvas(TIT)delosfusibleslimitadoresdecorriente15kVMTPROTELEC .......... 167

ANEXOB

B.1. Curvadedaodeltransformadorde12500kVA .................................................... 169

B.2. Curvadedaodeltransformadorde1500kVA...................................................... 170

B.3. Curvadedaodeltransformadorde500kVA......................................................... 171





B.8. Curvademotorde150HPeinterruptortermomagnticode250A......................... 176

B.9. Curvademotorde250HPycurvadelrelevador51 ............................................... 177






B.15. Curvademotorde1250HPycurvadelrelevador51 ............................................. 183

B.16. Curvademotorde1750HPycurvadelrelevador51 ............................................. 184

B.17. Proteccindeunconductordecobre1/0AWGpormediodefusibles.................... 185

B.18. Proteccindeunconductordecobre3/0AWGpormediodefusibles.................... 186

ANEXOC

C.1. Coordinacindeproteccionesparamotores1,2y3transformador2ylnea2....... 188

C.2. Coordinacindeproteccionesparamotores4,5y6ytransformador3 ................. 189

C.3. Coordinacindeproteccionesparamotores7,8y9transformador4ylnea3....... 190

viii

C.4. Coordinacindeproteccionesparalnea2,lnea3,transformador3ylnea1........ 191

C.5. Coordinacindeproteccionesparamotores10,11y12transformador5ylnea4 . 192

C.6. Coordinacindeproteccionesparamotor13ytransformador6.............................. 193

C.7. Coordinacindeproteccionesparamotor14,15ytransformador7........................ 194

C.8. Coordinacindeproteccionesparatransformador6,transformador7ylnea5 ..... 195

C.9. Coordinacindeproteccionesparamotores16,17,18,transformador8ylnea6.. 196

C.10. Coordinacindeproteccionesparamotores19,20,transformador9ylnea7........ 197

C.11. Coordinacindeproteccionesparalaslneas1,4,5,6,7yeltransformador1 ..... 198

ANEXOD

D.1. Simulacindecoordinacindeproteccionesparamotores1,2y3,transformador2y

lnea2 ..................................................................................................................... 200

D.2. Simulacin de coordinacin de protecciones para motores 4, 5 y 6 y

transformador3 ....................................................................................................... 201

D.3. Simulacindecoordinacindeproteccionesparamotores7,8y9transformador4y

lnea3 ..................................................................................................................... 202

D.4. Simulacindecoordinacindeproteccionespara lnea2, lnea3, transformador3y

lnea1 ..................................................................................................................... 203

D.5. Simulacindecoordinacindeproteccionesparamotores10,11y12transformador

5ylnea4................................................................................................................ 204

D.6. Simulacindecoordinacindeproteccionesparamotor13ytransformador6 ....... 205

D.7. Simulacindecoordinacindeproteccionesparamotor14,15ytransformador7 . 206

D.8. Simulacindecoordinacindeproteccionesparatransformador6,transformador7y

lnea5 ..................................................................................................................... 207

D.9. Simulacindecoordinacindeproteccionesparamotores16,17,18,transformador

8ylnea6................................................................................................................ 208

D.10. Simulacindecoordinacindeproteccionesparamotores19,20, transformador9y

lnea7 ..................................................................................................................... 209

D.11. Simulacin de coordinacin de protecciones para las lneas 1, 4, 5, 6, 7 y el

transformador1 ....................................................................................................... 210

ix

RELACINDETABLAS

CAPTULO1

Tab.1.1 Corrientedecortocircuitomximaparafusiblesdedistribucin.................................. 4

Tab.1.2 Capacidadinterruptivadelosfusibles ....................................................................... 11

Tab.1.3 EnergapermisibleI2t ................................................................................................ 15

CAPTULO2

Tab.2.1 Tiposycausasdefalla .............................................................................................. 33

Tab.2.2 Tiposdefallaenparalelo.......................................................................................... 34

Tab.2.3 Probabilidaddeocurrenciaparadiferentesfallas ...................................................... 34

Tab.2.4 Resultadosenvaloresporunidadparalostransformadores ..................................... 52

Tab.2.5 Resultadosenvaloresporunidadparalosmotores .................................................. 53

Tab.2.6 Impedanciaparaconductoreselctricosdecobretrifsicos ...................................... 54

Tab.2.7 Resultadosenvaloresporunidadparalaslneas..................................................... 54

Tab.2.8 Resultadosdecorrienteypotenciadecortocircuitotrifsicoencadabarra............... 57

Tab.2.9 Resultadosdecorrienteypotenciadecortocircuitomonofsicoencadabarra ......... 61

CAPTULO3

Tab.3.1 Categoradeltransformador................................................................................63

Tab.3.2 PuntosdecurvaANSI........................................................................................64

Tab.3.3 Impedanciasmnimas.........................................................................................64

Tab.3.4 Impedanciasmnimas.........................................................................................65

Tab.3.5 LimitesNECparatransformadores............................................................................ 65

Tab.3.6 Factoresdeenfriamientoytemperatura .................................................................... 66

Tab.3.7 Mltiplosparalacorrientedemagnetizacin ............................................................. 66

Tab.3.8 ValorItparadefinirlacurvadedaoentransformadoreshasta500kVA ................ 67

Tab.3.9 ValoresItparadefinirlacurvadeenergizacin ........................................................ 68

Tab.3.10Mximoporcentajedeajusteparaproteccincontrasobrecarga .............................. 90

Tab.3.11Calibresutilizadosencircuitosdedistribucinareos ............................................. 111

Tab.3.12Seleccindefusiblesparalosconductores ............................................................. 115

x

CAPTULO4

Tab.4.1 Valoresdecorrientedelosmotoresreferidosa13,8kV.......................................... 130

Tab.4.2 ................... 131

Tab.4.3 ................... 131

Tab.4.4 Comparacinderesultadosdelacoordinacindelarama1................................... 148






Tab.4.10Comparacinderesultadosdelacoordinacindelarama8................................... 153

Tab.4.11Comparacinderesultadosdelacoordinacindelarama9................................... 154

Tab.4.12Comparacinderesultadosdelacoordinacindelarama10................................. 155

Tab.4.13Comparacinderesultadosdelacoordinacindelarama11................................. 156

Pgina 1

CAPTULOIPROTECCIONESPARAUNSISTEMAELCTRICO

1.1. Generalidadesdelosfusibles

Un fusible es undispositivo empleado para proteger un circuito elctricomediante la

fusindeunoovarioselementosdestinadosparaesteefecto,interrumpiendoelflujode

lacorrienteelctricacuandoestasobrepasaelvalordelacorrientedefusindelfusible

dentro de un tiempo determinado.Los componentes que conforman un cortocircuito

fusible semuestranen la figura 1.1, la parte que sirve comoelemento deproteccin

paraladesconexindelcortocircuitoeselelementofusible,elcualseconstruyedeuna

seccintransversaldeterminadahechadeunaaleacinmetlica,estesefundealpaso

deunamagnituddecorrientesuperiorparalaquefuediseado,[1].

Parafusiblesdeunsoloelementoescomnusaraleacionesapartirdeestao,cobreo

plata.Algunos fabricantes establecen queel elemento de temperatura debaja fusin

previene el daoal tubo protector que rodea al elemento y almismoportafusible en

sobrecargas y el mejor material consecuentemente para los fusibles de un solo

elementoeselestaopuro.

Figura1.1Partesdeunfusible.

Pgina 2

Los fusibles de un solo elemento pueden subdividirse en dos clases: aquellos que

tienenunatemperaturadefusinbaja,talcomolosdeestaoquesefundea232Cy

losquetienenuna temperaturade fusinaltacomo laplataocobre,quesefundena

960Cy1080Crespectivamente.Concurvasidnticastiempocorrienteunelemento

fusibledeestaopuedellevarmayorcantidaddecorrientecontinuamentedentrode la

elevacindetemperaturapermisiblequeloselementosfusiblesdeplataocobre.

En fusibles con elementosdobles, las funcioneselctricas ymecnicasde laspartes

estnrelacionadasdetalmanera,quelaeleccindelmaterialsedeterminaporeltipo

decurvaquesedeseeobtener.Estetipodefusiblesincorporadoselementosenserie,

un extremo de cobre estaado se une por medio de una bobina de soldadura. En

sobrecargas, la soldadura funde a un valor predeterminado tiempocorriente

provocando la separacin de los elementos fusibles. En cortocircuitos e impulsos

transitorioselelementofusiblefundeantesquelasoldadura.

Adems las caractersticas fsicas, mecnicas y constructivas de los fusibles, es

importante determinar los parmetros elctricos que identifican a estos elementos de

proteccin.DeacuerdoalanormaANSIC37.1001972,loscortocircuitosfusiblesson

identificadosporlassiguientescaractersticas:

Frecuencia.

Tensinelctricanominal.

Corrienteelctricanominal.

Nivelbsicodeimpulso.

Servicio(interiorointemperie).

Respuestadeoperacin(curvatiempocorriente).

Capacidadinterruptiva(simtricayasimtrica).

Velocidadderespuesta(eneltipoexpulsin).

Asimismo,losfactoresquedefinenlaaplicacindeunfusible,ademsde

lascaractersticasanterioresson:

Pgina 3

Corrientedecortocircuitoenelpuntodeinstalacin.

RelacinX/Rdelaimpedanciaequivalente(Ze).

Curvadedaodeloselementosaproteger(conductores,transformadores,etc.).

Curvadeenergizacindeltransformador(inrushycargafra).

Costo.

1.1.1. Clasificacindelosfusibles

Enlafigura1.2semuestralaclasificacindelosfusiblesportipodeoperacin,

velocidaddeoperacinycapacidadinterruptiva.

TipoN

TipoExpulsin

TipoKyTTripleDisparo

TipodeOperacin Vaco

LimitadordeCorriente

HexafluorurodeAzufre

Potencia

AccinRpida

CLASIFICACIN VelocidaddeOperacin AccinRetardada

DELOSFUSIBLES AccinExtremadamenteRpidos

ClaseH

ClaseK

CapacidadInterruptiva ClaseR

ClaseT

TipoTapn

Suplementarios

Figura1.2Clasificacindelosfusibles

Pgina 4

Clasificacinportipodeoperacin

Enlaactualidadexisteunaampliadiversidaddefusibles,mismosquedependiendode

la aplicacin especfica de que se trate, satisfacen en mayor o menor medida los

requerimientos tcnicos establecidos. A continuacin se describen algunos de estos

tipos,considerandosuscaractersticasdeoperacin.

Para los fusibles tipo expulsin se definen las siguientes curvas caractersticas de

operacin:

TIPO N: Fue el primer intento de normalizacin de las caractersticas de los

elementos fusibles, la norma estableca que deberan llevar el 100% de la corriente

nominal continuamente y deberan fundirse a no menos del 230% de la corriente

nominalen5minutos.

TIPO K y T: Para la caracterstica de operacin de estos fusibles se definieron tres

puntos correspondientes a los tiempos de 0,1 s, 10 s y 300 s adicionalmente se

normalizqueestosfusiblesserancapacesdellevarel150%desucapacidadnominal

continuamenteparafusiblesdeestaoydel100%parafusiblesdeplata.

Asmismosenormalizaronlascapacidadesdecorrientemscomunesdefabricaciny

queactualmentesonde1A,2A,3A,5A,8A,15A,25A,40A,65A,100A,140Ay

200 A. Para los cortocircuitos de distribucin que utilizan fusibles tipo expulsin se

tienennormalizadoslosvaloresmximosdelacorrientedeinterrupcin,indicadosenla

tabla1.1.[2]

Tabla1.1Corrientedecortocircuitomximaparafusiblesdedistribucin.

TENSIN[kV] CORRIENTEDEINTERRUPCIN[A]

4,8 12500

7,2 12500

14,4 10000

25 8000

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En la figura 1.3 semuestra un cortacircuito fusible tipo expulsin que est diseado

para utilizarse en instalaciones para proteger transformadores de distribucin. En

tensiones de 14,4 kV pueden encontrarse corrientes de diseo de 100 A 200 A

nominales. Para tensiones de 25 kV, generalmente la corriente nominal es de 5 A

continuosparatransformadoresde75kVA.

Figura1.3FusibledesimpleexpulsintipoXSS&CElectricMexicana.

Losfusiblesdedobley tripledisparoconstandedoso trescortacircuitos fusiblespor

fase, los cuales se conectan a la fuente mediante una barra comn y la salida se

conectaalprimercortacircuitofusible.Almomentoquepasaunacorrientemayora la

mnima de operacin, se funde el elemento del primer fusible, abriendo el primer

portafusible ycerrandoenesemomentoel siguientecortacircuito fusible, en casode

persistir lasobrecorrienteoperaren formasimilaralanteriorconectandoel siguiente

cortacircuitofusibleconlacarga.Enlafigura1.4semuestrauncortacircuitofusiblede

tresdisparos

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Figura1.4Fusibledetresdisparos.

Elfusibledevacioestencerradoenunacmaraalvaco,cuentaconunacmarade

arqueo,unescudoopantallayunaislamientocermicocomolomuestralafigura1.5.

Para corrientes bajas de falla estos fusibles necesitan algunos ciclos para lograr el

quemadodelelemento fusible.Paracorrientes altaselelemento instantneamentese

vaporiza y forma un arco elctricomantenido por el plasma, la diferencia de presin

comparadaconelvacoaceleralavaporizacindelmetalylaextincindelarco.

Figura1.5Fusibledevaco.

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Los fusibles limitadores de corriente son bsicamente de no expulsin, limitan la

energa disponible cuando ocurre un cortocircuito, esto permite que se reduzcan

considerablementelosdaosenelequipoprotegido.Haytrestiposdisponibles:

1.Derespaldoo intervaloparcial,el cualdebeser usadoenconjuntoconunode

expulsin o algn otro dispositivo de proteccin y solamente es capaz de

interrumpircorrientessuperioresaunnivelespecificadotpicamentea500A.

2.Depropsitogeneral,elcualestdiseadoparainterrumpirtodaslascorrientes

defalla.Paracorrientesdevalorbajo,eltiempodeoperacinesretardado,para

corrientesdefallaoperaenuntiempomuyrpidodelordendeuncuartodeciclo.

3.De intervalo completo, el cual interrumpe cualquier corriente que en forma

continuasepresentearribadelacorrientenominal.

Enlafigura1.6semuestraunfusiblelimitadordecorriente,suprincipiodeoperacinse

basaenquecuandocirculaunasobrecorrientecapazde fundirelelementometlico,

steseempiezaafundirenmdulosqueprovocanunvalorgrandedetensindearco,

elcalorgeneradoporelarcovaporizaelmetalaunapresinmuyelevada,condicin

bajo la cual se presenta una resistencia elctrica muy alta. Una vez que el vapor

metlicosecondensaocurreunadescargaenelcanaldearcoysitieneunareignicin

hasta que la corriente pasa por su valor de cero que es cuando se completa la

interrupcindelarco.

Figura1.6FusiblesdeltipolimitadordecorrienteAREVAT&Dpara1200A.

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El hexafluoruro de azufre (SF6) ha sido ampliamente usado en la manufactura del

equipoelctrico,yaque tienecomooperacinprincipalextinguirelarcooriginadopor

las sobrecorrientes de carga y de cortocircuito. Para que el hexafluoruro de azufre

(SF6)seaunmedioeficazenlaextincindelarcoserequierequeestaunapresin

mayor que la atmosfrica, es decir que sus propiedades dielctricas y extintoras del

arcoelctricovaranenrazndirectamenteproporcionalalapresinqueseencuentra

contenido.

Losfusiblesdehexaflorurodeazufre(SF6)sonempleadosenlasredesdedistribucin

subterrnea, 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 tensin de diseo y con

capacidadesde200A600Anominales,para15,5kVy27kVtienenunintervalode

20 kA de capacidad interruptiva y para 38 kV tienen un intervalo de 13,5 kA de

interrupcin.Enlafigura1.7semuestraunfusibleenhexafluorurodeazufre(SF6).

Figura1.7Fusiblesenhexafluorurodeazufre(SF6).

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Los fusibles de potencia son diseados para instalarse en subestaciones, lneas de

distribucin y subtransmisin, en donde los requerimientos de capacidad interruptiva

sonaltos.Existenportafusiblesquepuedenreutilizarsedespusdefundirseelelemento

fusibleenestecasonicamentesereemplazaelelementode rellenoquecontieneel

fusible y hay portafusibles que una vez operados tienen que ser reemplazados

completamentelafigura1.8muestraestetipodefusibles.

Losfusiblesdepotenciaporsuconstruccinsondeltipoexpulsinydeacidobrico.El

fusible de potencia del tipo expulsin fue el primero que se dise, habiendo

evolucionadodebidoalanecesidaddecontarconunfusibledemejorescaractersticas,

utilizndose entonces el cido brico y otros materiales slidos que presentan las

caractersticassiguientes:

1.Para iguales dimensiones de la cmara de interrupcin de los portafusibles el

cidobricopuedeinterrumpircircuitosconunatensinnominalmsalta.

2.Un valor mayor de corriente, cubre un intervalo total de interrupcin desde la

corrientemnimadefusinhastalacorrientedeinterrupcinmximadediseo.

3.Obligaaqueseformeunarcodemenorenerga.

4.Reducelaemisindegasesyflama.

Figura1.8FusibletipoSMSpara20kAS&CElectricMexicana.

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Clasificacinporvelocidaddeoperacin

Los fusibles de accin rpida (tambin llamados de operacin normal) no tienen

intencionalmentedemoraensuaccin.Eltiempodeaperturatpicadeestosfusibleses

de500%elvalordeoperacinnormaldecorrienteenunperiododetiempoentre0,05s

y2 s. Los fusibles deaccin rpida sondeaplicacinen cargas no inductivas, tales

comoiluminacinincandescenteyalimentadoresdeusogeneralencargasresistivaso

encircuitosprincipalesconpequeascargasnoinductivas.

LosfusiblesclasesCC,G,H,J,RK5yRK1,puedenserfusiblesdeaccinretardada

(dobleelemento),sisonidentificadosenlaetiquetadelfusible"timedelay","td"o"d".

Los fusibles de accin retardada normalizados por UL (Underwriters Laboratories),

cumplenconlosrequerimientosexigidosenlaproteccindesobrecargas.Paravalores

altosdecorriente,losfusiblesdeaccinretardadaofrecenunaexcelentelimitacinde

corriente, abriendoelcircuito enunperiodode tiempodemenosdemedio ciclo.Los

fusiblescontiempoderetardopuedenserseleccionadosconvaloresmuchomscerca

delacorrientedeoperacinnormaldeloscircuitos.

El principal uso de los fusibles extremadamente rpidos es en la proteccin de

componentes electrnicos de estadoslido, tales como, semiconductores (diodos,

tiristores, semipacks, etc.) su caracterstica especial, es responder en forma rpida a

problemas de sobrecarga, con baja energa de fusin (I2t), corriente de pico y

transigencias de tensin elctrica, proveen proteccin de los componentes que no

puedenaislarlalnea,estetipodeproteccionessonusadosparavaloresdesobrecarga

bajosycorrientesdecortocircuito.

Clasificacinporcapacidadinterruptiva.

La capacidad de interrupcin de un fusible es la intensidad de corriente mxima

(razmediacuadrtica)quepuedesoportaradecuadamenteelfusibleparaprotegeren

formasegura loscomponentesdelsistemaelctrico.Talcomo loexige laNECensu

artculo240.6. Unfusibledebeinterrumpirtodaslassobrecorrientesquesepresentan

enelsistemaelctrico.

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Losfusiblesestndiseadosparaoperarconfiadamenteen lossiguientesvalores:10

kA, 50 kA, 100 kA, 200 kA y 300kA respectivamente. Losequipos proyectados para

interrumpir la corriente en caso de fallas, deben tener una intensidad de interrupcin

suficiente para la tensin nominaldel circuito y la intensidadquese produzcaen los

terminalesdelalneadelequipo.

Elequipoproyectadopara interrumpirelpasodecorrienteaotrosnivelesdistintos de

falla, debe tener una capacidad de interrupcin a la tensin nominal del circuito,

suficienteparalacorrientequedebainterrumpir.Losfusiblesposeenunacapacidadde

interrupcinde200kA,valorqueloshacencomolosdispositivosmsapropiadospara

aplicar en los sistemas elctricos. Algunos fabricantes, sin embargo han estado

trabajandoen fusibles para 300 kA de capacidadde interrupcin, as aumentando la

confiabilidad de estos dispositivos de proteccin elctrica. En cuanto a capacidad

interruptivaseclasificandeacuerdoalatabla1.2,[3].

Tabla1.2Capacidadinterruptivadelosfusibles.

FUSIBLE CAPACIDADDEINTERRUPCIN[kA]

ClaseH 10

ClaseK 50,100o200

ClaseRK1andClaseRK5 200

ClaseJ,ClaseCC,ClaseT,andClaseL 200

ClaseG 100

Fusiblestipotapn 10

1.1.2. Curvascaractersticasdelosfusibles.

Enelestudiodecoordinacincuandounainspeccinnoessuficiente,sepuedellevar

a cabo la utilizacin de la representacin grfica de las curvas caractersticas de los

fusibles.Lascurvasutilizadasparaelestudiodecoordinaciny lasquepresentan los

fabricantesdefusiblesson:

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1. Curvatiempocorriente.

2. Curvadecorrientepicopermisible.

3. CurvadeenergadefusinI2t.

Curvastiempocorriente

Lascurvasdelosfusiblessonlneasquerepresentaneltiempopromediodefusinde

cadaunade lascalibracionesde los fusibles. Lascurvasdefusin(tiempocorriente),

figura 1.9 muestran el tiempo promedio requerido para fundir el elemento fusible

responsabledeconducirlacorriente.Lascaractersticasdefusindelelementofusible

sedeterminanprincipalmentepor:

1.Lacorrectaaleacindelosmateriales.

2.Lapurezadeunmetal,comolaplataoelcobre.

3.Elespesordelelementofusible.

4.Elanchodelelementofusible.

Loanteriorpermite tenerunmejorcontrolenel tiempode fusinde los fusiblespara

cumplir con las curvas de tiempocorriente, las cuales segrafican bajo las siguientes

condiciones:

1.Los fusiblesnodebensersometidosacondicionesdesobrecarga,esdecir,no

debenhaberconducidocorrienteantesdeprobarse.

2.Latemperaturaambienteenlacualseefectelapruebaseade25C.

Parapropsitosdecoordinacinlacorrientedefusintieneunavariacinde10%,as

enlugardeunalneamostrandoeltiempodefusindeunfusible,sedeberconsiderar

unabanda. Lascurvas tiempocorrientedeapertura totalmuestranel tiempomximo

requeridoparacumplirestafuncinatensinnominal.Parafundirunfusibleyabrirel

circuitosedebentomarencuentalosiguiente:

1.Unacorrientequepaseatravsdelelementofusibledebecalentarloycambiarlo

deunestadoslidoaunestadolquido.

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2.Enelinstanteenqueelelementocambiaalestadolquido,eleslabncomienza

a abrir en algn punto y se establece un arco entre la terminal slida del

elementorestante.Alseguirfundindose,elarcoseextiendehastaquenopuede

brincar ms el espacio libre interrumpiendo de esta manera el circuito.

Actualmenteeltiempodearqueoesmedidoenciclosyvarade0,5a2ciclos.

Figura1.9 Curvapromedio,tiempocorriente.

Curvasdecorrientepicopermisible.

La mayor parte de los sistemas elctricos de distribucin actuales son capaces de

entregarcorrientesdecortocircuitoelevadas asuscomponentes.Si loscomponentes

nosoncapacesdemanejarestascorrientesdecortocircuito,stospuedenserdaados

odestruidosfcilmente.

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Debido a la velocidad de respuesta de las corrientes de falla, los fusibles tienen la

habilidadderecortarlacorrienteantesdequestaalcanceproporcionespeligrosas.La

figura 1.10 muestra el efecto limitador de corriente de los fusibles con dichas

caractersticas.

Figura1.10 Efectolimitadordecorrientedelosfusibles.

Elgradodelimitacindecorrientedelosfusiblesgeneralmenteserepresentaenforma

decurvasdecorrientepicopermisible.Lascurvasdecorrientepicopermisibleocurvas

del efecto de limitacin de corriente son tiles desde el punto de vista de la

determinacindelgradodeproteccincontracortocircuitoqueproporcionaelfusibleal

equipo. Estas curvasmuestran el pico instantneode corriente permisible comouna

funcindecorrientesimtricarmsdisponible.

CurvasdeenergadefusinI2t

Durantelaoperacindeunfusiblecuandoseproduceunasobrecargaesnecesariauna

cierta cantidad deenerga para fundir el elemento fusible y otra cantidad de energa

para extinguir el arcoelctrico despusdeque el elemento comienza a fundirse, ver

figura1.11.

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Figura1.11Accincaractersticadelfusiblelimitadordecorriente.

LosdatosdeenergapermisibleI2tparacadaclasedefusiblessepresentanenforma

de tablas (tabla 1.3), donde se apreciael tipo y la capacidadde fusible as como su

energapermisibleI2tdelosmismos,[4].

Tabla1.3Energapermisible 2

CLASE CAPACIDAD[A] IP[A] 2 [A/s.]

J

3060100200400600

75001000014000200003000045000

7X1030X1080X10

300X101100X102500X10

K1

3060100200400600

100001200016000220003500050000

10X1040X10

100X10400X10

1200X103000X10

K5

3060100200400600

110002100025000400006000080000

50X10200X10500X10

1600X105000X1010000X10

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1.2. Relevadoresdeproteccin.

Elrelevadordeproteccinesundispositivoquedetectaunafallaocondicinanormal

deunequipoelctricoyloseparadelaredelctricaenformaautomtica,tomandoen

consideracinqueelrelevadorsepuedeenergizarporunasealdetensin,unaseal

de corriente o por ambas. El relevador de proteccin es un equipo demedicin que

comparaunasealdeentradaconunasealdeajustedelamismanaturalezaquela

sealdeentrada, teniendoencuentaquesuoperacinsemanifiestacuando laseal

deentradaesmayoralasealdeajuste,cuandoestoocurresedicequeelrelevador

opera y se manifiesta fsicamente abriendo y cerrando contactos propios o de

relevadoresauxiliaresparadesconectarautomticamentelosinterruptoresasociadosal

equipofallado.

Los relevadores proporcionan una indicacin de su operacinmediante banderas o

seales luminosas esto depende de los fabricantes. Los relevadores auxiliares se

utilizanparadispararobloquearelcierredealgunosinterruptoresyotrasfuncionesde

controlyalarma.Elesquemabsicodeunrelevadordeproteccin sepresentaen la

figura1.12,[2].

Figura1.12Esquemabsicodeunrelevadordeproteccin.

Eldispositivodeentradaesporlogeneraluntransformadordeintensidaddecorrientey

detensin,loscualesrealizanladoblefuncindeadaptarlassealesprocedentesde

unaperturbacinenlainstalacinavaloresaptosparalosrelevadoresdeprotecciny

alavezsirvendeseparacinelctricadelaspartesdetensinaltaybaja.

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El dispositivo de conversin se encarga de convertir las seales censadas en el

dispositivo deentradaparaquepuedan ser procesadasporel dispositivodemedida.

Algunas veces las seales del dispositivo deentrada se recogendirectamente porel

dispositivodemedida,porloquesepuedeprescindirdeldispositivodeconversin.

Eldispositivodemedidamidelassealesprocedentesdelosdispositivosanteriores,y

comparndolasconunosvalores deajuste,decidecundodebeactuar laproteccin.

Eseldispositivoms importantedel relevador. La funcindeldispositivodesalidaes

amplificar las seales de dbil potencia procedentes del dispositivo de medida para

hacer funcionar loselementosqueactanen laproteccin.Losdispositivosdesalida

suelen ser contactos de mando y actualmente elementos lgicos con sus

correspondientesetapasdeamplificacin.

Eldispositivo accionador consisteen la bobinademandodel disyuntor.Cuandoesta

bobinaesaccionadaproduce ladesconexindeldisyuntorcorrespondiente. Lafuente

auxiliar de tensin se encarga de alimentar al relevador de proteccin. Esta fuente

puedeserunbancodebateras,transformadoresdetensinolapropiaredatravsde

sistemasdealimentacininterrumpida.

Losrelevadoresdesobrecorrientedeacuerdoasuscaractersticasseclasificande la

siguientemanera:

Porsutiempodeoperacin.

Relevadoresdesobrecorrienteinstantneo(nmeroANSI50).

Relevadoresdesobrecorrienteconretardodetiempo(nmeroANSI51).

Porsuconstruccin.

Relevadoreselectromecnicos.

Relevadoresestticos.

Relevadoresdigitalesmicroprocesados.

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Porsuscaractersticasdetiempocorriente.

Tiempodefinido.

Tiempoinverso.

Tiempomuyinverso.

Tiempoextremadamenteinverso.

Porsuniveldecorrienteyformadeconexin.

Relevadoresdesobrecorrientedefase.

Relevadoresdesobrecorrientedeneutro.

Relevadorestrifsicos.

El relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo (51), es un relevador con una

respuesta retardada la cual se ajusta a una curva caracterstica de tiempocorriente

definida o inversa que funciona cuando la corriente enel circuito excede deun valor

predeterminado.Seconocecomotiempoinversoalacaractersticadetiempocorriente

en que a mayor corriente, menor es el tiempo de respuesta del relevador y

consecuentementeamenorcorriente,mayorsereltiempodeoperacindelrelevador.

El relevador de sobrecorriente instantneo (50), es un relevador con respuesta

instantnea para un valor predeterminado de corriente su tiempo de respuesta u

operacin es menor a 3 ciclos (0,05 segundos). Este tipo de relevador de

sobrecorriente,nosedebeusarseencircuitosendondeseencuentrenconectadosen

serie relevadoresdelmismotipoyconloscualessedebedecoordinar,amenosque

entreellosseencuentreuna impedanciadeunvalorsuficientementegrande(como la

debidaatransformadoresoalimentadores),quepermitalimitarlacorrientedefalla.En

los alimentadores principales, debidoa lasdificultades que presenta coordinar conel

mismo tipoderelevadoren losramales,espocousualsuaplicacin.Paraobtenerel

ajuste de los relevadores instantneos, se usan los valores de cortocircuito

momentneoqueseobtienededichoestudio.

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El relevador de sobrecorriente electromecnico por suprincipiode funcionamiento se

clasificanen:

Atraccinelectromagntica.

Induccinelectromagntica.

Elrelevadordeatraccinelectromagnticaseutilizabsicamenteenlaconstruccinde

relevadores de sobrecorriente instantneos. Generalmente es un electroimn cuya

bobina es alimentada por un transformador de corriente. El mbolo construido de

materialferromagntico,esatradoporelflujoenelentrehierro,comosemuestraenla

figura1.13.

Figura1.13Relevadoresdeatraccinelectromagntica.

El contacto que cierra durante la puesta en operacin (pickup) del relevador es

utilizado para el control de apertura o disparo de uno o varios interruptores. En los

relevadoresdesobrecorrienteinstantneo(50),existeuntornillodeajustealojadoenla

parte superior. Variando la separacin o altura del entrehierro se modifica la fuerza

actuante.Laoperacindelrelevadorseidentificapormediodeunabanderacuyocolor

dependedelamarcadelfabricante.

Elrelevadordesobrecorrientedeinduccinelectromagnticaesunmotordeinduccin

defaseauxiliarconcontactos.Lafuerzaactuantesedesarrollaenunelementomvil,

queesundiscodematerialnomagnticoconductordecorriente,porlainteraccinde

los flujos electromagnticos con la corriente parsita (deEddy) que se inducenen el

rotorporestosflujos.

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Losrelevadoresmsutilizados tienen laestructuradeltipowatthormetro.El rotorque

es un disco en su flecha se encuentra alojado un contactomvil, en el armazn del

relevadorselocalizaelcontactofijo.Lamayoromenorseparacindeloscontactosse

obtienen ajustando el la palanca y por consiguiente el tiempode operacin de los

relevadores (figura1.14).

Figura1.14 Relevadordeinduccinelectromagntica.

Unresorteenformadeespiralcuyosextremosseencuentranfijadosalaflechaodisco

unaseccinestticadelrelevador,proporcionaaldiscounpardereposicin.Cuandoel

par de reposicin 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 pickup del relevador. Por otra parte este tipo de

relevadores tienen disponible una serie de TAPs o derivaciones de la bobina de

corriente.

La regleta de TAPs alojada en la parte superior del relevador tiene un nmero

determinado de orificios con rosca. Uno para cada derivacin de la bobina que es

conectadaaltransformadordecorriente(TC).Pormediodeuntomilloseseleccionael

TAPdelrelevador,yelvalordesterepresentalacorrientemnimadeoperacin.

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Esdecir,elTAPseleccionadocorrespondealacorrientesecundariacapazdearrancar

al relevador.Aunque lamayoradelosrelevadoresdisponedeunamplio intervalode

TAPs,se recomiendanoajustaral relevador enunTAPmayorde5 A,en raznde

protegerelcircuitosecundariodelTC.

Montadosobreelejedeldiscoseencuentraelcontactomvil.Enlapartesuperiorse

tienefijadoundialnumeradode0a10dependiendodelfabricantelanumeracinbien

puedeserde0a11.Laposicindeldialdetermina laseparacinentre loscontactos

(fijo y mvil) del relevador. A este ajuste se le conoce como palanca y permite

establecer un juego de curvas tiempocorriente similares. Los ajustes de tiempo y

corriente pueden ser determinados en las grficas tiempomltiplo TAP (corriente).

Estasgrficassonfamiliasdecurvasproporcionadosporelfabricantedelrelevador,las

cualesindicaneltiemporequeridoencerrarsuscontactosparacadaposicindeldial,

cuandolacorrienteesreferidacomomltiplodelTAPseleccionado.

Sepuedegeneralizaralrelevadordesobrecorrienteelectromecnicocomounrelevador

monofsicoalojadoenunacajacontapatransparenteydesmontable,enelinteriorse

alojaunaunidaddesobrecorrienteinstantnea(50)ounaunidaddesobrecorrientede

tiempo(51)oambasunidades(50/51),concaractersticasdetiempocorrientepropias

del relevador que no pueden ser modificadas. La unidad o unidades operadas son

sealizadaspormediodebanderasdesealizacin.

Las funciones de los relevadores de sobrecorriente estticos son semejantes a las

obtenidas con los del tipo electromecnico, a pesar deque los relevadores estticos

carecendepartesmviles,laterminologarelativaalajusteyoperacinessimilarala

empleada en los relevadores electromecnicos. Los relevadores de sobrecorriente

utilizanlossiguientescircuitosbsicos:

Rectificador, cuya funcines convertir una entrada de corriente alternaenuna

sealdetensin,capazdesermedidaycomparada.

Detector de nivel, el cual compara una entrada analgica con un nivel

prefijado,el cual respondeconuna salida analgica cuando este niveles

excedido.

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Temporizadores parademoraramaneraconstante oproporcionarlaentrada

analgicadecorriente.

Cadaunodeestoscircuitos,configuranunapartedelosrelevadoresdesobrecorriente

conretardode tiempo, ilustradoen la figura1.15.Lacorrientealternaquealimentael

relevadoresconvertidaen tensindeCDpormediountransformadordecorriente,un

puente rectificadory una resistencia decarga conectadaenparalelo, esta tensines

comparadoconunnivelprefijadoeneldetectordenivelnmero1,el cualgeneraun

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

magnituddelacorrientedeentrada.

Figura1.15 Relevadordesobrecorrienteestticotrifsicoinstantneoydetiempo.

Generalmenteel temporizadorcargauncapacitor,demaneraquealalcanzaralvalor

fijadoeneldetectordenivelnmero 2,segeneraunpulsodesalida.Lospulsospara

la operacin del elemento instantneo son obtenidospor medio del detector de nivel

nmero3elcualoperaalpasarporaltoaltemporizador.Diodosemisoresdeluz(led's)

son utilizados para abanderar la operacin de los relevadores, los cuales estn

normalmenteapagados.Se iluminancuandounodelosvaloresdeajuste(pickup)es

superado.Pulsandoelbotnrestaurarsereponen.

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Con la aplicacin de microprocesadores se han desarrollado relevadores de

sobrecorrientedigitales(numricosomicroprocesados),queademsdecumplirconlas

funciones de proteccin, efectan otras funciones adicionales como son: medicin,

registro de eventos, localizacin de fallas y oscilogramas. Lo anterior se realiza

mediante el muestreo y manipulacin de los parmetros elctricos, los cuales son

utilizados en formanumricapara resolvercadaunode los algoritmosquecalcula el

microprocesadorparacumplirconlastareasanteriormentedescritas.

Estosrelevadoressontrifsicosyenunsolomduloestncontenidaslasunidadesde

faseydeneutro,reduciendoconsiderablementesusdimensionesyelespacioocupado

porellosenlostablerosdecontrol,medicinyproteccin.Enlafigura1.16sepresenta

unrelevadordigitalenformaesquemtica.

Figura1.16Relevadordigitaldesobrecorriente.

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Los relevadores microprocesados estn constituidos bsicamente de la siguiente

manera: unidades de entrada analgicas (corriente), unidades de entrada digitales

(contactos del interruptor, etc.), filtros, fuente de alimentacin, microprocesador para

funcionesde proteccin,microprocesadorpara funcionesdemedicin,memoriaRAM

para registrodeeventos,memoriaEEPROMparagrabarajustes,unidadesdesalida,

contactosdedisparoyalarma,puertosdecomunicacin,pantallayteclado, ledspara

sealizacin de banderas y piloto de encendido y por ltimo la unidad de auto

diagnsticoymonitoreo.

Lascurvascaractersticasdeoperacindelosrelevadoresdigitalessonutilizadasporel

microprocesador para determinar el tiempo de operacin en segundos, bajo una

condicindesobrecorrientedada.LascualeshansidonormalizadasporlanormaANSI

C57.11.Enlafigura1.17semuestrandichascaractersticas.

Figura1.17Curvascaractersticasderelevadoresdesobrecorrientemicroprocesados.

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1.3. Interruptorestermomagnticosyelectromagnticos.

Los interruptores termomagnticos tambin conocidos como interruptores de caja

moldeada protegen las instalaciones contra sobrecargas y cortocircuitos. Se usan

frecuentementeparalaproteccindealimentadoressecundariosycircuitosderivados.

Porlogeneraltienenunacapacidadinterruptivaaltaconelementosderestablecimiento

para permitir operaciones repetitivas. Estos interruptores tienen tres componentes

principales:loselementosdedisparo,elmecanismodeoperacinylosextinguidoresde

arco.

Elprincipiodeoperacindelinterruptortermomagnticosebasaeneldisparotrmico

y disparo magntico, el disparo trmico se presenta cuando hay una circulacin de

corrienteatravsdeunatirabimetlica,laresistenciadelatirabimetlicadesarrolla

calor elcualoriginaqueelbimetalseinclinehastaquesumovimientosealosuficiente

paraactivarelmecanismoypermitirqueel interruptoropere. La figura1.18muestra

cmoactaeldisparotrmicocuandosepresentaunacorrientedesobrecarga.

Figura1.18Accindelinterruptorcondisparotrmico.

El disparomagnticose realiza cuando existen corrientes de falla grandesdonde un

solenoidemagnticoes el caminode la corriente a travs del interruptor, conel cual

atraeunaarmaduramagnticaparaprovocareldisparo del interruptor.La figura1.19

muestra cmo acta el disparo magntico cuando se presenta una corriente de

cortocircuito.

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Figura1.19Accindelinterruptorcondisparomagntico.

Un interruptor termomagnticomanual permiteabrir y cerrar uncircuito, tomandoen

cuentaqueestetipodeinterruptorsepuedeabrirdeformaautomticacuandoelvalor

delacorrientequecirculaporellos,excedeunciertovalorpreviamentefijado,despus

dequeestosinterruptoresabren(disparan)sedebenestablecerenformamanual.Enla

figura1.20sepuedeobservarlaoperacindeuninterruptortermomagntico,laaccin

trmicaproveeunarespuestadetiempoinverso,estoesunapequeasobrecarga,un

tiempomayorycuandoseincrementalasobrecargaeltiemposereduce.Enelcasode

cortocircuito, las corrientes mayores que se producen ponen en serio riesgo la

integridaddetoda la instalacinyson interrumpidasenforma inmediataporlaaccin

magntica.

Figura1.20Accindelinterruptortermomagntico.

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Lacurvadedisparode los interruptores termomagnticossonproporcionadaspor los

fabricantesyeslacombinacindelasfuncionesdeproteccin(trmicaymagntica)se

denominannormalmentecurvasdedisparoysonestablecidasporlanormaIEC60898.

En la figura 1.21 se observan las curvas de disparo y sus alcances de dichos

interruptores.

Figura1.21Curvadelinterruptortermomagnticopara250AdeSchneiderElectric.

Los interruptores termomagnticos se fabrican desde15Ahasta2,5kA,encorriente

alternaydirecta.Concapacidadesdeinterrupcin,desde18kAhasta200kAy480V

CA.Setienenlosinterruptorestermomagnticosindustriales(figura1.22).

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Figura1.22Interruptorestermomagnticosindustriales.

La principal aplicacin de los interruptores electromagnticos se encuentra en la

proteccinsecundariadelostransformadores,paraprotegercentrosdecargaycentros

de control de motores. Cada interruptor tiene distintas caractersticas y puede ser

distinto tipo de acuerdo al fabricante dependiendo de esto, se puede ajustar las

unidadesdedisparodisponibles,lascualesson:detiempodiferidolargo(L),detiempo

diferidocorto(S),instantneo(I)ydeproteccincontrafallas(G).

El llamado ajuste de tiempo diferido largo, se utiliza para proteger el transformador

contrasobrecargas,yparalaproteccincontracortocircuito,seempleanlosdetiempo

diferido corto e instantneo. Cuando el interruptor se usa para la proteccin de un

centrodecargaouncentrodecontroldemotores,elajustesehaceconsiderando la

capacidaddelinterruptordelmotordemayorpotencia,mslasumadelascorrientes

nominalesdel restode lascargas.Paraajustarel instantneo,serequiereconocerel

valor de la corriente de cortocircuitomomentnea en la barra, y a partir de este, se

determina el valor del mltiplo de ajuste. Para la proteccin de falla a tierra es

recomendableusarelmltiplomsbajoenlaunidad.

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CAPTULOIICLCULODECORTOCIRCUITO

2.1. Clasificacindelasfallaselctricasindustriales

Lossistemaselctricosestndiseadosparasuministrarenformacontinualaenerga

elctrica a los equipos o dispositivos que deben ser alimentados, por lo que la

confiabilidaddelservicioesunaspectoqueresultamuy importante.Elgran riesgode

estosservicios,estenqueelflujodecorrientetengaunvalormayorqueelesperado

decorrientequedebecircularporelmismo.Estascorrientesseconocenporlogeneral

como sobrecorrientes, se originan por distintas causas, pero para fines prcticos se

clasificancomo:sobrecargasycortocircuitos[3].

Las sobrecargas son corrientes mayores que el flujo de corriente normal, estn

confinadas a la trayectoria normal de circulacin de corriente y pueden causar

sobrecalentamientodelconductor,ascomodeteriorodelaislamientosisepermiteque

continecirculandolacorriente. Lassobrecargassonproducidasdedistintasmaneras,

porejemplo,enelcircuitodeunmotor,laschumacerasdelmotorolaschumacerasdel

equipoqueacciona elmotor requieren lubricacin y por lo tanto si no se hace dicha

lubricacin, esto provoca que se transmita calor sobre el eje y puede ejercer cierto

frenado,locualsetraducecomounasobrecarga,yaquenopuedegirarasuvelocidad

ysepuededarelcasodequeparetotalmente.

El exceso de corriente que demanda es visto por el dispositivo de proteccin de

sobrecorriente,comounasobrecarga.Otroejemplomscomn,eselcircuitoderivado

enuna casahabitacin que puede estar dimensionado en forma limitada yprotegido

porundispositivodesobrecorriente,perosiunaparatoadicionalseconecta,causaun

excesodecorrientesobre lacapacidaddelcircuitoysieldispositivodeproteccines

un interruptortermomagnticoesteseabre.

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Esto ocurre tambin enuna situacinde sobrecarga. En general, una sobrecorriente

quenoexcededecincoaseisveceslacorrientenormalcaedentrodelaclasificacin

deunasobrecarga,ancuandopudieraseruncortocircuitoyservistoporeldispositivo

deproteccincomounasobrecarga.

El cortocircuito es una conexin de resistencia o impedancia baja, entre dos o ms

puntosdeuncircuitoqueestnnormalmenteatensionesdiferentes.Lascorrientesde

cortocircuito se caracterizan por un incremento prcticamente instantneo y varias

vecessuperiora lacorrientenominal,encontrastecon lasdeunasobrecargaquese

caracterizanporunincrementomantenidoenunintervalodetiempoyalgomayorala

corrientenominal.

En condiciones normales de operacin, la carga toma una intensidad de corriente

proporcionalalatensinaplicadayalaimpedanciadelapropiacarga.Sisepresenta

uncortocircuitoenlasterminalesdelacarga,latensinquedaaplicadanicamenteala

impedancia baja de los conductores de alimentacin y a la impedancia de la fuente

hastaelpuntodelcortocircuito,yanooponindoselaimpedancianormaldelacargay

generndoseunacorrientemuchomayor.

Un cortocircuito puede originarse de distintas maneras, por ejemplo la vibracin del

equipo produce en algunas partes, prdida de aislamiento, de manera que los

conductores quedan expuestos a contacto entre s o a tierra.Otro caso es el de los

aisladoresquepuedenestarexcesivamentesuciosporefectodelacontaminacinyen

presencia de lluvia o llovizna ligera, consigue producir el flameo del conductor a la

estructura(tierra).Elcortocircuitotieneporlogeneral,tresefectos:

1.Arco elctrico. Este es similar al que se presenta cuando se usa soldadura

elctrica,yaqueesunarcomuybrillantecalienteysepresentaenunosniveles

decorrientequevandeunos cuantos hastamilesdeamperes.Elefectode la

falla, es muy dramtico, ya que el arco quema prcticamente todo lo que se

encuentreensutrayectoria.

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2.Calentamiento. Cuando un cortocircuito tiene una gran magnitud de corriente,

causaseverosefectosdecalentamiento,porejemplo,unacorrientedefallade15

kA en un conductor de cobre, calibre 6 AWG, produce una elevacin de

temperatura de 205 C en menos de un ciclo de duracin de la falla, estas

temperaturaspodraniniciarunincendioenalgunosmaterialesvecinos.

3.Esfuerzosmagnticos.Debidoaqueuncampomagnticoseformaalrededorde

cualquier conductor cuando circula por l una corriente, se puede deducir

fcilmentequecuandocirculaunacorrientedecortocircuitodemilesdeampere,

el campomagntico se incrementa muchas veces y los esfuerzos magnticos

producidossonsignificativamentemayores.

Lafinalidaddelestudiodecortocircuitoesproporcionarinformacinsobrecorrientesy

tensiones en un sistema elctrico durante condiciones de falla. Esta informacin se

requiereparadeterminarlascaractersticasdecapacidadinterruptivaymomentneade

losdispositivosdeproteccinlocalizadosenelsistema,loscualesdebernreconocerla

existenciadelafallaeiniciarlaoperacindelosdispositivosdeproteccinasegurando

aslamnimainterrupcinenelservicioyevitandodaosalosequipos.

Eneldiseodelasinstalacioneselctricas,sedebenconsiderarnoslolascorrientes

nominalesdeservicio,sinotambin lassobrecorrientesdebidasalassobrecargasya

los cortocircuitos. El conocimiento de las corrientes de cortocircuito, en los distintos

puntosdelainstalacin,esindispensableparaeldiseodecomponentescomo:

Barras

Cables

Dispositivosdemaniobrayproteccin,etc.

Para elegir adecuadamente los dispositivos de proteccin debemos conocer las

corrientesdecortocircuitomximasymnimasenlosdistintosniveles.

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Lascorrientesdecortocircuitomximascorrespondenauncortocircuitoenlosbornes

desalidadeldispositivodeproteccin,considerandolaconfiguracindelaredyaltipo

decortocircuitodemayoraporte.Engeneral,enlasinstalacionesdebajatensineltipo

de cortocircuito de mayor aporte es el trifsico. Estas corrientes se utilizan para

determinar:

Losesfuerzostrmicosyelectrodinmicosenloscomponentes.

Lacapacidadde cierredelosinterruptoresenelcasoderecierresobrefallas

Lascorrientesdecortocircuitomnimascorrespondenauncortocircuitoenelextremo

delcircuitoprotegido,considerando laconfiguracinde laredyaltipodecortocircuito

de menor aporte. En las instalaciones de tensin baja los tipos de cortocircuito de

menoraportesonel faseneutro (circuitosconneutro)oentredos fases (circuitossin

neutro). Estas corrientes se utilizan para determinar el ajuste de los dispositivos de

proteccin para proteger a los conductores frente a un cortocircuito. Por ltimo las

corrientes de cortocircuito fasetierra, se utilizan para elegir los dispositivos de

proteccincontraloscontactoselctricosindirectos.

Si se debe suministrar la proteccin adecuada a un sistema de energa elctrica, el

tamaodedichosistematambinsedebeconsiderarparadeterminarlamagnituddela

corrientequeserentregada.Estohacequelosinterruptoresofusiblesseseleccionen

con la capacidad interruptiva adecuada. Esta capacidad de interrupcin debe ser lo

suficientemente alta para abrir con seguridad la corriente mxima de cortocircuito la

cual el sistema puede hacer que fluya a travs de los interruptores si ocurre un

cortocircuitoenelalimentadorocircuitoqueprotege.

Lamagnitud de la corriente decarga sedeterminapor lacantidad de trabajo quese

esthaciendoy tienepocarelacinconel tamaodelsistemaquealimenta lacarga.

Sinembargo, lamagnitudde lacorrientedecortocircuitoesalgo independientede la

carga y est directamente relacionada con el tamao o capacidad de la fuente de

potencia. Entre ms grande sea el aparato que suministra la potencia elctrica al

sistema,mayorserlacorrientedecortocircuito,[2].

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Lasfallassepuedenclasificardelasiguientemanera:

Porsucausa

Un sistema elctrico a prueba de fallas no es prctico ni econmico. Los sistemas

elctricos modernos que como prctica son construidos con altos niveles de

aislamiento, tienen suficiente flexibilidad para que uno o ms de sus componentes

puedanestarfueradeoperacinafectandoenformamnimalacontinuidaddelservicio.

Adicionalmente a las deficiencias de aislamiento, las fallas pueden ser resultados de

problemaselctricos,mecnicosytrmicosodecualquiercombinacindestos.

Para asegurar una adecuada proteccin, las condiciones existentes en un sistema

durante laocurrenciadediversos tiposde fallasdebensercomprendidasclaramente.

Estas condiciones anormales proporcionan los medios de discriminacin para la

operacinde losdispositivosdeproteccin.Lamayora de tiposycausasde fallase

presentanenlatabla2.1.

Tabla2.1Tiposycausasdefallas.

TIPO CAUSA

AISLAMIENTO Defectos o errores de diseo, fabricacin inadecuada, instalacininadecuada,aislamientoenvejecido,contaminacin.

ELCTRICO Descargas atmosfricas, sobretensiones transitorias por maniobra,sobretensionesdinmicas.

TRMICA Falladesobrecorriente,sobretensin,temperaturasextremas

MECNICA Esfuerzosporsobrecorriente,sismo,impactosporobjetosajenos,nieveoviento.

Porsuconexin

Enunsistemaelctricotrifsicopuedenocurrirlassiguientesfallas,tambinconocidas

comofallasenparalelodebidoa la formaenqueseencuentran instaladas las lneas,

lascualessonindicadasenlatabla2.2.

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a)Fallamonofsica:Ocurrecuandoelcortocircuitosedaentreunafaseatierra.

b)Fallabifsica:Ocurrecuandoelcortocircuitodedaentredosfases.

c)Fallabifsicaatierra:Ocurrecuandoelcortocircuitosedaentredosfasesatierra.

d)Fallatrifsica:Ocurrecuandoelcortocircuitosedaentretodaslasfases.

Tabla2.2Tiposdefallaenparalelo.

FALLAMONOFSICA

FALLABIFSICA FALLABIFSICAATIERRA

FALLATRIFSICA

Paralostiposdefallasindicadossepuedenconsiderardoscasos:

Fallaslidaofranca.

Fallaatravsdeunaimpedancia.

Esteltimocasosepresenta,porejemplo,cuandolafallaseestableceatravsdeun

arco elctrico. Un cortocircuito en un sistema trifsico simtrico produce una falla

trifsicabalanceada,mientrasquelasfallasdeunafaseatierra,entredosfases yde

dosfasesatierraproducenfallasdesequilibradas.Losdispositivosdeproteccindeben

operarpara estostiposdefalla,conocidascomofallasenparalelo(shunt), lascuales

tienen la probabilidad de ocurrencia indicada en la tabla 2.3, para sistemas de

distribucinareosconconductordesnudo.

Tabla2.3Probabilidaddeocurrenciaparadiferentesfallas.

TIPO PROBABILIDAD(%)

MONOFSICA(faseatierra) 85BIFSICAATIERRA(dosfasesatierra) 8

BIFSICA(entredosfases) 5TRIFSICA (entrelastresfases) 2

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En condiciones normales de operacin, la carga toma una intensidad de corriente

proporcionalalatensinaplicadayalaimpedanciadelapropiacarga.Sisepresenta

uncortocircuitoenlasterminalesdelacarga,latensinquedaaplicadanicamenteala

baja impedancia de los conductores de alimentacin y a la impedancia de la fuente

hastaelpuntodelcortocircuito,yanooponindoselaimpedancianormaldelacargay

generndoseunacorrientemayor.

2.2. Fuentes y comportamiento transitorio de las corrientes de

cortocircuito

Cuando se determinan las magnitudes de las corrientes de cortocircuito, es

extremadamente importante que se consideren todas las fuentes de corriente de

cortocircuito y que las reactancias caractersticas de estas fuentes sean conocidas.

Existen cuatro fuentes bsicas de corrientes de cortocircuito, que alimentan con

corrientedecortocircuitoalafallaestasson:generadores,motoressncronos,motores

deinduccinyelsistemadelacompaasuministradoradeenerga.

2.2.1.Fuentesquecontribuyenalafalla

Generadores

Losgeneradoressonmovidosporturbinas,motoresdieseluotrotipodefuentemotriz,

cuandoocurreuncortocircuitoenelcircuitoalcualestconectadoelgenerador,ste

contina generando tensin debido a que la excitacin del campo se mantiene y la

fuentemotrizsiguemovindoloavelocidadnormal.La tensingeneradaproduceuna

corrientedecortocircuitodegranmagnitud,lacualfluyedelgenerador(ogeneradores)

al punto de falla. Este flujo de corriente se limita nicamente por la impedancia del

generadoryelpuntoadondeocurrelafalla.Sielcortocircuitoocurreenlasterminales

delgenerador, lacorrientequedalimitadasolamenteporlaimpedanciadelamquina,

lacualesrelativamentebaja.

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Motoressncronos

Losmotoressncronosestnconstruidosporuncampoexcitadoporcorrientedirectay

undevanadoenelestatorporelcualfluye lacorrientealterna.Normalmenteelmotor

obtienelapotenciadelalneayconviertelaenergaelctricaenenergamecnica.No

obstante, el diseo de un motor sncrono es tan semejante al de un generador de

energa elctrica, quepuede producirla justo comoun generador,moviendo elmotor

sncronocomounafuentemotriz.

Durante el cortocircuito en el sistema elmotor sncrono acta como un generador y

entregacorrientedecortocircuito,en lugardetomarcorrientedecargadelcomose

muestraenlafigura2.1.Tanprontocomoelcortocircuitoseestablece,latensinenel

sistemase reduceaunvalormsbajo.Consecuentementeelmotordejadeentregar

energaalacargamecnicayempiezaadetenerse.Sinembargo,lainerciadelacarga

yelmotorimpidenalmotorquesedetengaenotraspalabras,laenergarotatoriadela

cargayelrotormuevenalmotorsncronocomounprimomotormueveaungenerador.

Figura2.1Condicindeoperacindeunmotor:a)Normal,b)Falla

Elmotorsncronovieneaserungeneradorysuministracorrientedecortocircuitopor

variosciclosdespusdequeocurreelcortocircuitoenelsistema.Lafigura2.2muestra

un oscilograma de la corriente desarrollada por el motor sncrono durante el

cortocircuito del sistema. Lamagnitud de la corriente de cortocircuito depende de la

potencia, la tensin nominal y reactancia del motor sncrono y de la reactancia del

sistemahastaelpuntodefalla.

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Figura2.2Corrientedecortocircuitoenunmotorsncrono.

Motoresdeinduccin

Lainerciadelacargayelrotordeunmotordeinduccintienenexactamenteelmismo

efectosobreelmotordeinduccincomoelmotorsncronosiguenmoviendoalmotor

despus de que ocurre un cortocircuito en el sistema. Slo existe una diferencia, el

motordeinduccinnotieneuncampoexcitadoporcorrientedirecta,peroexisteunflujo

en el motor durante la operacin normal. Este flujo acta en forma similar al flujo

producidoporelcampodecorrientedirectaenelmotorsncrono.

Elcampodelmotordeinduccinseproduceporlainduccindesdeelestatorenlugar

del devanado de corriente directa. El flujo del motor permanece normal mientras se

aplicatensinalestatordesdeunafuenteexterna(elsistemaelctrico),sinembargo,si

la fuente externa de tensin se elimina sbitamente, esto es, cuando ocurre el

cortocircuitoenelsistemaelflujoenelrotornopuedecambiarinstantneamente.

Debido a que el flujo del rotor puede decaer instantneamente y la inercia sigue

moviendo al motor, se genera una tensin en el devanado del estator cuando una

corrientede cortocircuito que fluye hasta el puntode falla hasta queel flujo del rotor

decae a cero. Lamagnitud de la corriente de cortocircuito producida por elmotor de

induccindependedesupotencia,tensinnominal,reactanciadelmotorylareactancia

delsistemahastaelpuntode falla.Consecuentemente,el valor inicial simtricode la

corrientedecortocircuitoesaproximadamenteigualalacorrientedearranqueatensin

plenadelmotor.

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Sistemadelacompaasuministradora

Los sistema elctricosmodernos de las compaas suministradoras, representanuna

red compleja de plantas generadoras interconectadas. En un sistema tpico, los

generadores no se ven afectados por las corrientes altas de cortocircuito que se

producenen unaplanta industrial, nicamente apareceenellos un incremento en su

corrientedecargaquetiendeapermanecerconstante.

Las lneas de transmisin y distribucin, as como los transformadores, introducen

impedanciasentre lasplantasgeneradorasy losconsumidores industrialesdenoser

as, lascompaassuministradorasseranuna fuente infinitadecorrientede falla. La

representacindelacompaasuministradoraparaelestudiodelcortocircuito,seruna

impedanciaequivalentereferidaalpuntodeconexin(puntodeacometida).

2.2.2. Reactanciadelasmquinasrotatorias

Lareactanciadeunamquinarotatorianoesunvalorsimple,comoloeslareactancia

deun transformadoro deun tramode cable, sino que es compleja y variable conel

tiempo.Porejemplo,si se aplicauncortocircuito a las terminales deungenerador la

corrientedecortocircuitoescomosemuestraenlafigura2.3.

Figura2.3Corrientedecortocircuitoproducidaporungenerador.

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Lascorrientespartendeunvaloraltoydecaenaunestadoestabledespusdequeha

pasado algn tiempo desde el inicio del cortocircuito. Puesto que la tensin de

excitacindelcampoyvelocidadpermanecenconstantesdentrodelpequeointervalo

detiempoconsiderado,sepuedeconsideraruncambioaparenteenlareactanciadela

mquina,paraexplicarelcambioenlamagnituddelacorrientedecortocircuitoconel

tiempo.

La expresin de la corriente variable para cualquier instante despus de que ha

ocurridoelcortocircuitoesunaecuacincomplicadaenfuncindeltiempoascomode

otras variables. Con el fin de la simplificacin del procedimiento de los clculos de

cortocircuito para la aplicacin de interruptores y protecciones, se consideran tres

valores de reactancia para los generadores y motores, estas son, reactancia

subtransitoria,reactanciatransitoriayreactanciasncrona.

1. Es la reactancia aparente del estator en el

instanteenqueseproduceelcortocircuitoydeterminalacorrientequecirculaen

eldevanadodelestatordurantelosprimerosciclosmientrasdureelcortocircuito.

2.Reactancia transitoria (Xd). Se trata de la reactancia inicial aparente del

devanado del estator si se desprecian los efectos de todos los devanados

amortiguadores y slo se consideran los efectos del devanado del campo

inductor.Estareactanciadeterminalaintensidaddecorrientequecirculadurante

el intervalo posterior al que se indic anteriormente y en el que la reactancia

subtransitoria constituye el factor decisivo. La reactancia transitoria hace sentir

susefectosdurante0,5segundosoms,segnlaconstruccindelamquina.

3.Reactancia sncrona (Xs). Es la reactancia que determina la intensidad de

corrientequecirculacuandosehallegadoaunestadoestable.Slohacesentir

susefectosdespusdetranscurriralgunossegundosdesdeelinstanteenquese

ha producido el cortocircuito y por tanto carece de valor en los clculos de

cortocircuito, para la aplicacin en interruptores de potencia, fusibles, y

contactores,peroestilparaelestudiodeajustesdesobrecargaenrelevadores.

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La figura 2.4 muestra la variacin de la corriente con el tiempo y asociada a las

reactanciasmencionadasanteriormenteconeltiempoylaescaladecorriente.

Antesdeque lacarga tengaefecto sobre lamagnitudde lacorrientedecortocircuito

suministrada por el generador. Los valores de Xd y Xd que generalmente da el

diseadordelamquinasonlosmsbajosquesepuedenobtener.Lascaractersticas

de lascorrientesdecortocircuitosedebenentenderantesdequesehagaelanlisis

delsistema[6].

Figura2.4Variacindecorrientedecortocircuitodeunamquinarotatoria

2.3. Criteriosdeaplicacinenlaseleccindeprotecciones.

Lalgicadeunsistemadeproteccindividealsistemaelctricoenvariaszonas,cada

unadelascualesrequiereenparticulardesupropioesquemadeproteccin.Entodos

loscasoslascaractersticasquesedescribenacontinuacinsoncomunesacualquier

criterioptimodediseopara lograruneficientesistemadeproteccin.Es imprctico

satisfacercompletamente la totalidaddeestoscriteriosdemanera simultnea,siendo

necesario evaluar cada una de las caractersticas en base a una comparacin de

riesgos.

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2.3.1. Caractersticasdelosdispositivosdeproteccin

Confiabilidad

La confiabilidad delsistemadeproteccin es su habilidadparano tener operaciones

incorrectas y es funcin de la dependabilidad y la seguridad. Dependabilidad es la

certeza para la operacin correcta de la proteccin en respuesta a un problema del

sistema (probabilidad de no tener una falla de operacin cuando se le requiere), es

decirquecorrespondea lacorrecta operacindeunaproteccinpara todas las fallas

queocurrandentrodesuzonadeproteccinenparticular.Laseguridadeslahabilidad

delsistemaparaevitarlaincorrectaoperacinconosinfallas(habilidadparanotener

una operacin indeseada o no requerida), o en otras palabras corresponde a la

estabilidad que debemantener unaproteccin bajo condiciones deno falla o ante la

presenciadefallasfueradesuzonadeproteccin.

Un sistema de proteccin debe comportarse correctamente bajo cualquier condicin

tantodelsistemaelctricocomodelentorno.Ladependabilidadpuedeserverificadaen

el laboratorioodurante la instalacinmediantepruebasdesimulacindecondiciones

defalla.Porotraparte laseguridadesmuchomsdifcilde verificar.Unapruebareal

de la seguridad de un sistema tendra que medir la respuesta del mismo a

prcticamenteuna infinitavariedaddeproblemasydisturbiospotencialesquepueden

presentarsetantoenelsistemaelctricocomoensuentorno.

Para el caso de relevadores de proteccin un sistema seguro es usualmente el

resultado de una buena experiencia en el diseo, combinada con un programa

extensivo de pruebasmediante la simulacin en un sistema como el EMTP (Electric

Magnetic Transient Program), y puede nicamente ser confirmado dentro del propio

sistemaelctricoysuentorno.

Rapidez

Undispositivodeproteccinquepudieraanticiparseaunafallaseraunautopaincluso

siestuvieradisponible,habrasiempre ladudasobresudecisinparadeterminarcon

certezasiunafallaoproblemarequieredeundisparo.

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Eldesarrollodedispositivosdeproteccinmsrpidosdebesiempreserevaluadoen

comparacinal incrementoenlaprobabilidaddeunmayornmerodeoperacionesno

deseadas o inexplicables. El tiempo es un excelente criterio para descartar entre un

problemarealyunofalso.Aplicandoestacaractersticaenparticularaundispositivode

proteccin,laaltavelocidad indicaqueeltiempousualdeoperacinnoexcedelos50

ms (3 ciclos). El trmino "instantneo" indica que ningn retardo es introducido a

propsitoenlaoperacin.

Economa

Undispositivodeproteccinque tieneunazonade influenciaperfectamentedefinida,

proveeunamejorselectividadperogeneralmentesucostoesmayor.Losdispositivos

deproteccindevelocidadaltaofrecenunamayorcontinuidaddelservicioalreducirlos

daos provocados por una falla y los riesgos al personal, por tanto tienen un costo

inicial mayor. El ms alto desempeo y costo no pueden ser siempre justificados.

Consecuentemente,dispositivosdeproteccindebajayaltavelocidadsonusadospara

protegerunsistemaelctrico.Ambostipospuedenproporcionarunaaltaconfiabilidad.

Porejemplo,unrelevadordeproteccinmuestraunaconsistenciaensuoperacindel

99,5%yunmejordesempeocomoproteccin.

Simplicidad

Como cualquier otra disciplina de la ingeniera, la simplicidad en un sistema de

proteccinreflejaunbuendiseo.Sinembargounsistemadeproteccinmssimpleno

essiempreelmseconmico.Comoseindicopreviamenteunamayoreconomapuede

ser posible con un sistema de proteccin complejo que usa un nmero mnimo de

elementos.Otrosfactorestalescomo lasimplicidaddeldiseo,mejoranlasimplicidad

del sistema, si nicamente hay pocos elementos que pueden representar una mala

operacin.

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Selectividad

Un sistema de proteccin es diseado por zonas, las cuales deben cubrir

completamentealsistemaelctricosindejarporcionesdesprotegidas.Cuandounafalla

ocurre,serequiereque laproteccinseacapazdeseleccionarydispararnicamente

los dispositivos de desconexin adyacentes a la falla. Esta propiedad de accin

selectivaestambinllamadadiscriminacin.

2.3.2.Esquemasdeproteccin

Esquemaunitario

Esposibledisearsistemasdeproteccinquerespondannicamentealascondiciones

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