SISTEMAS DE PROTECCIÓN

1 GENERALIDADES

En el campo de la ingeniería eléctrica, tal vez una de las ramas más fascinantes es la protección de los sistemas que se encargan de distribuir el fluido eléctrico, de forma tal que se asegure un servicio continuado a tensión y frecuencia nominal.

Para garantizar un adecuado diseño, el ingeniero electricista no sólo debe conocer a cabalidad la teoría del sistema de Potencia, sino que debe estar familiarizado con los equipos disponibles a los fines señalados.

Como se mencionó anteriormente, la función básica de un sistema de Protección es garantizar un servicio continuado con parámetros nominales, pero primordialmente, debe garantizar la seguridad y bienestar de las personas y de los componentes del sistema (componentes del circuito).

Sin duda que desde los primeros fusibles de conductor al aire, hasta los más recientes relés de estado sólido con microprocesadores incorporados ha habido una evolución considerable en los Sistemas de Protección, sin embargo, entonces como ahora y siempre, un buen esquema de protección debe cumplir con las siguientes condiciones:

a) Confiabilidad: Se debe minimizar la posibilidad de falla del equipo de protección. Esto se logra mediante diseños inherentemente seguros respaldados con un buen mantenimiento.

b) Selectividad: El sistema debe identificar la zona en falla y despejarla de tal forma que se mantenga el máximo de continuidad del servicio. Según el alcance del ajuste de los dispositivos de protección, se puede hablar de dos tipos de selectividad:

• Absoluta. Lo que significa que la acción de los dispositivos es exclusiva en su zona.

•• Relativa. En este caso se realizan ajustes en los alcances que permiten solapamiento de las zonas.

c) Rapidez: El grado de daño que ha de sufrir un equipo, guarda estrecha relación con el tiempo durante el cual está expuesto a la condición de falla; por lo que se evidencia la necesidad de que el dispositivo de protección actúe en el menor tiempo posible.

d) Sensibilidad : El dispositivo debe proteger para los menores valores de falla en forma confiable.

e) Seguridad: La acción de despeje debe efectuarse de forma segura, exponiendo el menor número de equipos a las magnitudes de falla.

Ninguna de estas condiciones es en absoluto más importante que cualquier otra; y como se observa cuando un sistema no cumple con alguna es casi seguro que las otras se vean igualmente incumplidas.

1 .1 CAUSAS Y TIPOS DE FALLA.

Se puede definir una falla eléctrica como aquella situación en la que el Sistema o parte de él se encuentra bajo condiciones anormales de funcionamiento y existe riesgo de daño o destrucción de uno o más componentes.

Las fallas no obedecen solamente a un origen eléctrico, como puede ser un cortocircuito o una variación de tensión, sino que pueden ser causadas por factores tan diversos como: Temperatura, Humedad, Utilización Incorrecta de Equipos, Condiciones Atmosféricas, etc...

Según su origen las fallas eléctricas se pueden clasificar en:

a) De origen eléctrico. Por alteración de un aislante que resulta incapaz de soportar una tensión.

b) De origen mecánico. Debido a rotura o desgarre de conductores, o a la caída de cuerpos sobre las líneas.

c) De origen atmosférico. Cuando son originadas por rayos que alcanzan los conductores de una línea, por tempestad, hielo, enrarecimiento del aire, polución.

d ) De origen humano. Debido a maniobras incorrectas o a destiempo.

Las fallas eléctricas se pueden presentar de las siguientes formas:

a) Sobrecarga.b) Cortocircuito.c) Variaciones de tensión.

La tendencia actual, es de no diferenciar las sobrecorrientes producidas por sobrecarga, de las propias producidas por cortocircuito, en más que la magnitud alcanzada por la corriente y el tiempo durante el cual está presente.

Ambos orígenes están asociados a la capacidad del sistema para aumentar su corriente por un tiempo dado, el cual está determinado por las curvas de tolerancia tiempo-corriente de los componentes del sistema.

En la figura 1. Se observa una curva típica de tolerancia tiempo-corriente, en ella se puede ver que a medida que aumenta la corriente disminuye el tiempo que el componente es capaz de soportarla.

La variación del nivel de tensión tiene efectos que van desde una reducción en el grado de iluminación, para el caso de caída de tensión, hasta la pérdida de aislamiento producida por sobretensión.

Figura 1.

ESTUDIO DE LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

La falla más común en los sistemas de distribución y en general en cualquier instalación, es la sobrecorriente, y dentro de esta, la que reviste mayor importancia es la producida por cortocircuito, debido a las magnitudes involucradas.

EFECTOS DE LOS CORTOCIRCUITOS:

La presencia de un cortocircuito en la red, provoca sobrecorrientes, caídas de tensión y desequilibrios en general sobre los parámetros del sistema. Se pueden clasificar los efectos de la corriente de falla de la forma siguiente:

a) Efecto térmico: La energía de falla asociada a un cortocircuito se convierte en calor, y produce daños que van desde la tostadura del aislante hasta la fusión de los componentes. Estos efectos dependen de la duración de la falla, y se pueden calcular de acuerdo al factor de Joule dado por:

donde : Q = Calentamiento en caloríasK = 0.24 cal/J.R = Resistencia (Ω)I = Valor eficaz de la corriente (Amp)t = Tiempo de falla (seg)

Los efectos térmicos inciden sobre el grado de aislamiento y las propiedades de ductibilidad y temple de las partes metálicas de los componentes.

Como ejemplo típico de los daños causados por los efectos térmicos de las corrientes de cortocircuito, se tienen los producidos sobre los relés bimetálicos para la protección de sobrecarga. Estos dispositivos son especialmente sensibles a las sobrecorrientes, por lo cual sufren graves daños si la energía de falla supera el valor asociado a la capacidad de memoria elástica del bimetálico; en estos casos, los daños irán desde la pérdida de punto de ajuste de la lámina hasta la fusión del elemento.

b) Efectos Mecánicos: Las corrientes de falla producen fuerzas de reacción electromagnéticas en los componentes del sistema. Estos efectos se traducen en: deformaciones en las barras colectoras y armaduras de los motores, rotura de anclajes, pulverización de aislantes, etc...

El cálculo de estos esfuerzos depende de la geometría del componente estudiado. Para los contactos de un interruptor, se tiene que la fuerza debida al campo eléctrico en la zona de contacto viene dada por:

donde: Fm = Fuerza en el área de contacto.I = Valor pico de la corriente de falla.N = Número de punto en contactos.

d) Caí das de Tensión: Las corrientes de falla, por su naturaleza elevada, producen caídas de tensión considerables en los sistemas en los que se presentan. Estas caídas pueden provocar el desenganche de las máquinas sincrónicas poniendo en peligro la estabilidad de la red. Por otra parte, las sobretensiones inciden directamente sobre la vida útil de los aislantes.

2.2 Modelo para el Estudio de la Forma de Onda de la Corriente de Cortocircuito .

La Figura 1.2 ilustra un modelo sencillo para el análisis de la forma de onda de la corriente de cortocircuito, suponiendo una tensión senoidal.

Se observa que el valor de la corriente de falla depende de el momento en que ocurra el mismo (Φ) y de la relación X/R.

La onda de la corriente de falla es el resultado de la suma de dos componentes, a saber:

a) Componente Simétrica. Dada por la parte senoidal de la ecuación. Representa el comportamiento en estado estable del circuito.

b) Componente Transiente o de Corriente Continua. Representada por la exponencial, debida a las variaciones de impedancia durante la falla.

El grado de asimetría de la onda de cortocircuito, y el valor del pico máximo de corriente (corriente de pico), depende nuevamente, de los valores de Φ y de X/R.

La Figura 1. 3 muestra diferentes formas de onda según variaciones en los parámetros señalados.

Corno se observa en la Figura, el valor de la corriente de pico estará comprendido entre , para un grado de asimetría cero, y , para la máxima asimetría; en ese caso In es el valor eficaz de la corriente. La tabla 1 resume los valores del factor para diferentes relaciones X/R.

Figura 1.2

De lo que se obtiene:Donde:

X = Wl

Irms =

Θ = Arctg (X/R)Φ = Ángulo de cierre de SX/R = reactacia/resistencia

Se observa que el valor de la corriente de falla depende de el momento en que ocurre (Φ), y de la relación X/R.Figura 1.3. COMPONENTES DE LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO.

A. X/R = ∞, θ-Φ ≠ 90º

B. X/R = 0

C. X/R indeterminado

1- Componente simétrica2- Componente exponencial (transiente)3- Componente asimétrica

El valor del pico máximo depende de X/R.

Una forma de visualizar físicamente la asimetría de la Corriente de

Cortocircuito es la siguiente: En el momento de producirse el cortocircuito, en cada una de las fases del devanado de una máquina trifásica existe un flujo ligado a cada una de ellas que varía de cero a un valor máximo. Este flujo ligado a una fase en referencia en el momento de producirse la falla, queda atrapado dentro del devanado en corto de la fase en referencia. Este flujo no puede desaparecer instantáneamente; sino que decaerá con una constante de tiempo que depende de los valores de resistencia y reactancia del circuito.

A medida que se aleja de la fuente generadora, disminuye la relación X/R debido al aumento de la influencia de la resistencia de los cables.

El fenómeno del decaimiento del flujo conlleva una corriente unidireccional

en el circuito para mantener el valor del flujo, el cual puede expresarse como:

De acuerdo con lo anterior, el valor máximo que tendrá el primer pico de corriente asimétrica, despreciando el decaimiento durante ese lapso, es dos veces el pico de la componente simétrica, y el valor eficaz de esa onda es 3 veces el valor eficaz de la onda simétrica. Puesto que la componente DC decae con el tiempo con una pendiente que depende de la relación X/R del circuito, en la práctica existen factores de multiplicación que expresan a la componente asimétrica como un producto de la componente simétrica, estos factores están entre 1.15 y 1.5 para la mayoría de los circuitos industriales.

2.3 Energía de Falla

Asociada a la corriente de cortocircuito existe una Energía de Falla que determina el grado de daño que puede llegar a sufrir un sistema de no protegerse adecuadamente. Esta energía se define como una función de la corriente y del tiempo, de forma que es una expresión de dos variables, ƒ (i2t), y por lo tanto tiene una representación tridimensional, y se calcula como:

donde:I = valor eficaz de la corriente de cortocircuito.t = tiempo de duración de la falla.

No se presenta en forma aislada el efecto térmico o el mecánico en ningún caso de falla; siempre existe una combinación de ellos.

Cuando un dispositivo de corte, tal como un interruptor automático, se ve sometido a una corriente de falla, aparte del calentamiento debido al flujo de la corriente, en los puntos de contacto se presentan fuerzas de repulsión por efecto del campo eléctrico y magnético de la corriente.

Estas fuerzas reducen la carga mecánica de los contactos, con lo que aumenta la resistencia en la superficie de contacto y con ella la temperatura, hasta el punto que se puede llegar a fundir algo de cobre.

Al ir disminuyendo el campo, debido a la disminución de la corriente, los contactos pueden quedar soldados por efectos de la nueva carga mecánica aplicada sobre ellos. Por otro lado, si la corriente de falla es excesivamente grande, los contactos permanecerán abiertos, estableciéndose un arco que deteriora el aislamiento, formándose humo y gases que al ionizarse son altamente volátiles, teniéndose peligro de explosión.

Con una adecuada coordinación de los elementos de protección, los daños en los dispositivos de maniobra pueden ser minimizados e incluso eliminados totalmente.

Actualmente se representa la energía como una figura tridimensional. En la Figura 1.4 se observan las diferentes representaciones de la energía de falla y se puede comparar la magnitud de la energía para los casos con dispositivos limitadores y no limitadores.

Figura 1.4 Energía de Falla.

ELEMENTOS DE PROTECCIÓN.

Los elementos de protección son dispositivos cuya finalidad es proteger:

- La carga

- Los aparatos de maniobra

- La instalación eléctrica en si.

- La seguridad de las personas

Contra posibles daños producidos por el paso de intensidades inadecuadas que puedan ser de origen:

• MECÁNICO: bloqueos, sobrecargas, puestas en marcha excesivas, etc.

• ELÉCTRICO: sobretensiones, caídas de tensión, desequilibrio de fases,cortocircuito, sobrecargas, etc.

• HUMANO: originadas por maniobras incorrectas o a destiempo.

• ATMOSFÉRICO: provocada por rayos, tempestades, aire enrarecido, polución...

Los tipos más importantes de dispositivos de protección son los siguientes:

TIPOS

FUSIBLES

INTERRUPTORESY

RELÉS , CON UNIDAD DE DISPARO

DETECTORES DE TEMPERATURA

De acción lentaDe acción rápida

TérmicosMagnéticosTermomagnéticosElectrónicos

Tipo bimetálicoTipo termoparTipo R.T.D. Tipo semiconductor (Termistor)

UNIDAD DE DISPARO (TRIP): Actúa sobre el mecanismo de protección del relé o interruptor, en el momento en que detecta una sobre-corriente (sobre-carga o corto-circuito) en el circuito que protege.

La protección de los circuitos se efectúa dependiendo del tipo de acción de disparo del relé o interruptor, la cual puede ser:

- TÉRMICA- MAGNÉTICA- TERMOMAGNÉTICA- ESTADO SÓLIDO

Nota: para ver la presentación “Reles de Sobrecarga”, hacer doble clic en la imagen.