Coordinacion Protecciones

INTRODUCCIÓN

Las instalaciones eléctricas industriales, por su tamaño y complejidad, son en ocasiones tan importantes como los sistemas eléctricos de potencia y el uso de las técnicas de análisis que se utilizan en este pueden ser también aplicadas a las instalaciones industriales.

Los estudios principales de análisis en instalaciones industriales incluyen:

Estudios y cálculos de corto circuito.

Selección de dispositivos de protección.

Coordinación de dispositivos de protección.

Arranque de motores, estudios de caída de voltaje y corrección del factor de potencia.

Etc.

El principal objetivo de este tipo de estudios, es proporcionar a los técnicos una fuente de información simple y relativamente económica para instalaciones industriales y comerciales, de manera que satisfagan los requerimientos de:

Seguridad.

Confiabilidad en el servicio.

Calidad en el suministro de le energía.

Diseño de instalaciones fáciles de operar y mantener.

Facilidad en la ampliación, cuando sea necesario.

Costos iniciales y de operación mínimos.

CRITERIOS GENERALES DE PROTECCIÓN DE LOS SISTEMA ELÉCTRICOS.

Las condiciones de operación anormales contra las que se deben de proteger los sistemas eléctricos, son el corto circuito y las sobrecargas. El corto circuito puede tener su origen en distintas formas, por ejemplo, fallas de aislamiento, fallas mecánicas en el equipo, fallas en el equipo por sobrecargas excesivas y repetitivas, etc. Las sobrecargas se pueden presentar también por causas muy simples, como pueden ser instalaciones inapropiadas, operación incorrecta del equipo, por ejemplo arranques frecuentes de motores, ventilación deficiente, periodos largos de arranque de motores, etc.

En el diseño de los sistemas eléctricos, se han desarrollado varias técnicas para minimizar los efectos de las anormalidades que ocurren en el mismo, de tal forma, que se diseña el sistema para que sea capaz de:

Aislar rápidamente la porción afectada del sistema, de tal forma que se minimice el efecto y se mantenga el servicio tan normal como sea posible.

Reducir tanto como sea posible el valor de la corriente de corto circuito para reducir los daños potenciales al equipo o partes de la instalación.

Proveer al sistema siempre que sea posible, de medios de recierre automático, para minimizar la interrupción del servicio durante fallas de tipo transitorio.

De acuerdo a lo anterior, la función de un sistema de protección, se puede definir como “La detección y pronto aislamiento de la porción afectada del sistema, ya sea que ocurra un corto circuito, o bien otra condición anormal que puede producir daño a la parte afectada, al personal o a la carga que alimenta”.

La coordinación, es la selección o ajustes, o ambas cosas, de los dispositivos de protección, para aislar la parte afectada del sistema cuando ocurre alguna anormalidad. Este debe ser un aspecto importante que se debe considerar un cualquier sistema eléctrico bien diseñado.

El estudio de coordinación de protecciones de la instalación eléctrica, consiste en un análisis organizado de tiempo - corriente de todos los dispositivos en serie, desde el dispositivo general de protección contra sobre corriente hasta el del circuito derivado de cada una de las cargas. Este estudio es una comparación del tiempo que toman los dispositivos individuales en operar cuando ciertos niveles de corriente normal o anormal pasan a través de los dispositivos de protección.

El objetivo es determinar las características, capacidades y dispositivos de protección de sobre corriente, los cuales aseguran que la carga mínima sin falla (es decir la que continua operando), se interrumpa cuando el dispositivo de protección aísle una falla o sobrecarga en cualquier parte del sistema. Al mismo tiempo, los dispositivos seleccionados proveerán protección satisfactoria contra sobrecargas en el equipo e interrumpirán los circuitos cortos tan rápidamente como sea posible.

Fundamentos de coordinación de protecciones

Mediante un estudio de coordinación de protecciones se tiene la posibilidad de determinar las capacidades y ajustes de los diversos dispositivos de protección contra sobre corriente y corto circuito que se utilizan en un sistema eléctrico

Una apropiada coordinación implica una secuencia de operación adecuada de los equipos de protección instalados en serie, ya que de lo contrario puede ocurrir una operación simultánea innecesaria.

Cuando dos o más dispositivos de protección se utilizan en un sistema, el más cercano a la falla del lado de la fuente es el dispositivo protector ( protección primaria), y el siguiente más cercano del lado de la alimentación es el dispositivo protegido ( protección secundaria o de respaldo). En la figura siguiente se indican estos dos conceptos.

Si ocurre una falla, debe de interrumpirse de inmediato el flujo de corriente que se dirige hacia la zona fallada, sin suspender el suministro de energía a las secciones restantes del sistema. Para lograr esto, los equipos de protección deben ser selectivos, es decir, debe operar únicamente el que se localice en un punto inmediato anterior a la falla (tomando como referencia la dirección a la fuente). Si no sucede así, el dispositivo siguiente debe de actuar interrumpiendo el circuito afectado.

Denominación de las protecciones por su ubicación respecto a la falla

Cabe señalar que cuando la protección primaria no cumple su cometido y por tal razón opera la protección secundaria, la protección del circuito eléctrico que se ve afectada es más extensa, sin embargo, esta situación es preferible puesto que si no es aislada la falla producirá mayores daños al equipo y consecuentemente grandes pérdidas económicas e inclusive humanas.

Información requerida para efectuar el estudio de coordinación

- Un diagrama unifilar del sistema de distribución que indique la ubicación y características de los dispositivos de protección instalados en el sistema; la potencia, las tensiones nominales, la impedancia, y las conexiones del primario y del secundario de los transformadores; las capacidades nominales, reactancias y demás datos incluidos en la placa de los motores y generadores ; la longitud, calibre, disposición y tipo de canalización de los conductores.

- Un estudio de cortocircuito para conocer los valores máximos y mínimos de corriente de falla que se espera fluyan por los dispositivos de protección.

- Las curvas de corriente - tiempo correspondientes a los dispositivos de protección involucrados en el estudio de coordinación.

- Conocer las características de operación, tanto las normales como las anormales, de todo el equipo del sistema, con el fin de marcar los límites para determinar las zonas de operación de las protecciones ; tales datos se conocen como límites de protección y entre otros conceptos están comprendidos : la corriente nominal, sobrecargas tolerables, corriente de cortocircuito, etc.

- Requisitos y recomendaciones establecidas por los diferentes códigos e instituciones especializadas como son : el Código Eléctrico Nacional (NEC), el Instituto Nacional Americano de Normas (ANSI), la Asociación Nacional de Fabricantes de Equipo Eléctrico (NEMA), el Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica ( IEEE.), etc.

- Finalmente cuando se tiene la información anterior, se trazan sobre una hoja de papel logarítmico, los límites de protección y las curvas corriente - tiempo de los diferentes dispositivos de protección colocados en serie, iniciando con el dispositivo más cercano a la carga hasta llegar a la protección principal del sistema. Con esto se puede verificar si existe selectividad en la operación de tales protecciones, en caso contrario, debe realizarse los ajustes correspondientes para lograr ese objetivo.

La coordinación selectiva se logra cuando no hay superposición entre las curvas de operación de los dispositivos de protección, y existe un espacio razonable entre ellas.

En algún espacio que no interfiera para interpretación de las gráficas, se dibuja un diagrama unifilar de la sección considerada del sistema. En el diagrama debe de indicarse los lugares de posibles fallas, así como su valor calculado. También deben señalarse las principales características del equipo involucrado en dicha sección, anotando además los ajustes requeridos para los dispositivos de protección. Es muy importante para poder interpretar las gráficas, indicar en el eje horizontal el nivel de tensión al cual están referidos los valores de corriente.

La escala de corriente que debe de ser utilizada en la hoja de papel logarítmico-logarítmico, depende de las diferentes tensiones que se tengan en el sistema. Se trata siempre que la elección de dicha escala, se haga de tal forma que sean simplificadas las operaciones aritméticas que deben de realizarse para referir algún valor de corriente a una tensión determinada.

EQUIPO BÁSICO DE PROTECCIÓN.

Para aislar un corto circuito o una sobrecarga, se requiere de la aplicación de equipo de protección que pueda cumplir con ambas funciones, sensar y desconectar la parte afectada del sistema. En algunos casos, el elemento sensor y el dispositivo de interrupción son elementos completamente separados e interconectados solo por los cables de control.

En otros casos, los sensores y los dispositivos de interrupción se encuentran en un mismo dispositivo.

Un fusible cumple con ambas fusiones, es un elemento sensor y de interrupción, se conecta en serie con el circuito y responde a los efectos térmicos producidos por la circulación de corriente a través del mismo.

Los interruptores son solo dispositivos de interrupción que se deben usar necesariamente con elementos sensores (relevadores).

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRECORRIENTES.

Los sistemas eléctricos están diseñados para suministrar en forma continua la energía eléctrica a los equipos o dispositivos que deben ser alimentados, por lo que la confiabilidad del servicio es un aspecto que resulta muy importante. Por ejemplo, la alimentación a las computadoras con bancos de memoria, o a los servicios médicos y áreas experimentales. El gran riesgo a estos servicios, está en que el flujo de corriente tenga un valor mayor del que debe circular por el mismo.

Estas corrientes se conocen por lo general como “sobrecorrientes” y se originan por distintas causas, pero para fines prácticos se clasifican como sobrecargas y corto circuitos.

Sobrecargas.

Las sobrecargas se definen como corrientes que son mayores que el flujo de corriente normal, y están confinadas a la trayectoria normal de circulación de corriente y pueden causar sobrecalentamiento del conductor si se permite que continúe circulando.

Las sobrecargas se pueden producir de distintas maneras, por ejemplo, en el circuito de un motor, las chumaceras del motor o las chumaceras del equipo que acciona el motor pueden requerir lubricación y por lo tanto, operar caliente. Esto hace que se trasmita calor sobre el eje y puede ejercer cierto frenado, lo cual se traduce como una sobrecarga, ya que no puede girar a su velocidad y se puede dar el caso de que se pare totalmente.

El exceso de corriente que demanda es “visto” por el dispositivo de protección de sobrecorriente, como una sobrecarga.

En general, una sobrecorriente que no excede de cinco veces la corriente normal, cae dentro de la clasificación de una sobrecarga, aun cuando pudiera ser un cortocircuito y ser “visto” por el dispositivo de protección como una sobrecarga.

Corto Circuito.

El corto circuito se puede definir como una corriente que se encuentra fuera de sus rangos normales. Algunos corto circuitos no son mayores que las corrientes de carga, mientras en otros la pueden exceder muchas veces su valor.

Un corto circuito se puede originar de distintas maneras, por ejemplo, la vibración del equipo puede producir en algunas partes, pérdida de aislamiento, de manera que los conductores queden expuestos a contacto entre sí o a tierra. Cualquiera que sea la causa, los corto circuitos son por lo general, el resultado de una ruptura dieléctrica del aislamiento, esta ruptura se puede presentar ya sea que el aislamiento sea de hule, madera, cinta de lino barnizada o bien una distancia en aire.

El corto circuito tiene por lo general tres efectos:

ARCO ELÉCTRICO. Se puede presentar en un rango de una cuantos hasta miles de amperes. El efecto de la falla es muy dramático, ya que el arco quema prácticamente todo lo que se encuentre en su trayectoria.

CALENTAMIENTO. Cuando un corto circuito tiene una gran magnitud de corriente, causa severos efectos de calentamiento, por ejemplo, una corriente de falla de 15 kA en un conductor de cobre calibre 6 AWG, produce una elevación de temperatura de 205°C en menos de un ciclo de duración de la falla, estas temperaturas podrían iniciar el fuego en algunos materiales vecinos.

ESFUERZOS MAGNÉTICOS. Debido a que un campo magnético se forma alrededor de cualquier conductor cuando circula por el una corriente, se puede deducir fácilmente que cuando circula una corriente de corto circuito de miles de amperes, el campo magnético se incrementa muchas veces y los esfuerzos magnéticos producidos son significativamente mayores.

DESCRIPCIÓN DEL ESTUDIO DE INGENIERÍA

El estudio de coordinación de protecciones para los dispositivos de protección por sobrecorrientes, se realiza con base en el estudio de cortocircuito (REVISAR ARCHIVO ANEXO), tanto en alta como en baja tensión. Para esto, se utilizan los valores de corrientes de falla obtenidos, y las condiciones de carga de los equipos; así como la selección de los fusibles e interruptores.

El estudio de coordinación de protecciones se desarrolla tomando en consideración la corriente nominal a plena carga y de carga máxima de los motores.

Las curvas tiempo-corriente de los diferentes dispositivos de protección se muestran en las gráficas de coordinación.

El ajuste y coordinación de los dispositivos de protección en los diferentes buses, se realiza conforme a la capacidad nominal del transformador y/o su carga.

El estudio de coordinación de protecciones se desarrolla en base a la corriente nominal a plena carga y de carga máxima de los Transformador de potencia, además de los puntos ANSI, NEC e INRUSH de los mismos.

Se realizan gráficas de coordinación de dispositivos de protección para fallas entre fases.

Se presentan los ajustes y recomendaciones relativas a cada una de las gráficas de coordinación tiempo-corriente (T-C), donde se muestra detalladamente la coordinación.

OBJETIVO DEL PRESENTE ESTUDIO DE

COORDINACIÓN DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS.

El presente estudio determinará los ajustes necesarios en la calibración del relevador de protección instalado en el lado de la alimentación de la subestación derivadora, en conjunto con un interruptor en aire.

Características del equipo a instalarse:

Interruptor de Potencia 3AH clase 34.5KV

Relevador de protección digital tipo 7SJ600

Ver catálogos adjuntos.

Para determinar la fiabilidad del software utilizado en el presente estudio de coordinación de protecciones eléctricas se calculará un transformador (tipo) como ejemplo.

Este cálculo será realizado tomando en consideración las normas:

ANSI/IEEE C57.12.00-1980 “STANDARD GENERAL REQUERIMENTS FOR LIQUID-INMERSED DISTRIBUTION, POWER AND REGULATING TRANSFORMERS”

ANSI/IEEE C57.109-1985 “GUIDE FOR TRANSFORMERS THROUGH-FAULT-CURRENT DURATION”

ANSI/IEEE C37.91-1985 “APLICATION OF THE TRANSFORMERS TROUGH-FAULT-CURRENT DURATION GUIDE TO THE PROTECTION OF POWER TRANSFORMERS”.

De acuerdo a la norma ANSI C57.12.10-1969, este punto representa una aproximación del efecto de la corriente de magnetización del transformador, este valor de corriente se calcula como un múltiplo de la corriente nominal del transformador en baja tensión y varía de acuerdo con la capacidad del mismo.

Este valor puede alcanzar un rango de 8 a 25 veces la corriente nominal para transformadores tipo seco y de 8 a 12 veces en transformadores en aceite y el tiempo de duración de esta corriente es siempre de 0.1 segundos.

Para transformadores mayores de 1500 KVA y menores de 3750 KVA el múltiplo es de 10, por lo que: In X 10 = INRUSH.

O sea que para el transformador TSM1-3 de 1500kva (Transformador como ejemplo, caculo tipo)

1968.24 X 8 = 15,795.92 a 0.1 segundos.

Para realizar estudios de coordinación más minuciosos, se han desarrollado las curvas de daño de los transformadores, también conocidas como curvas de protección. En ellas está indicado el tiempo de duración de una sobre corriente, en función del número de veces la corriente nominal, que un transformador puede soportar sin sufrir daños.

Las curvas de daño son establecidas por ANSI, para los transformadores sumergidos en aceite. De acuerdo a su capacidad se clasifican en cuatro categorías, que se indican en la siguiente tabla

C a t e g o r í a

k V A

N o m i n a l e s

M o n o f á s i c o s

T r i f á s i c o s

I

5 - 500

15 - 500

II

501 - 1 667

501 - 5 000

III

1 668 - 10 000

5 001 - 30 000

I V

Arriba de 10 000

Arriba de 30 000

El daño a los transformadores debido a una corriente de falla, es el resultado de los efectos mecánicos y térmicos producidos bajo esa condición.

Aunque la elevada temperatura asociada con la gran magnitud de la corriente de falla es típicamente aceptable, los efectos mecánicos son intolerables si se permite que las fallas ocurran con regularidad. Por tal razón, se dice que los daños no dependen solamente de la magnitud y duración, sino también del número total de las fallas.

Las curvas de protección toman en consideración, el hecho de que el daño al transformador es de naturaleza acumulativa, y que también el número de fallas a las cuales puede estar expuesto el transformador, es diferente para diversas aplicaciones. Por ejemplo, en los transformadores que tienen en su lado secundario conductores encerrados en conduit, tales como los encontrados normalmente en sistemas industriales y comerciales experimentan una baja incidencia de fallas.

En consecuencia, para un transformador determinado, en esas dos aplicaciones, se utiliza una curva de daño diferente dependiendo de la frecuencia con la que pueden ocurrir las fallas.

Para graficar los puntos de la curva ANSI para transformadores se utiliza la siguiente tabla:

PUNTOS CURVA ANSI

PUNTO

CATEGORIAS DEL TRANSFORMADOR

TIEMPO (SEGS)

CORRIENTE AMP.

1

I

1250 (Zt)2

Ipc/Zt

II

2

Ipc/Zt

III, IV

2

Ipc/(Zt-Zs)

2

II

4.08

0.7 Ipc/Zt

II, IV

8.0

0.5 Ipc/(Zt+Zs)

3

II

2551/Zt2

0.7 Ipc/Zt

III, IV

5000 (Zt+Zs)2

0.5 Ipc/(Zc+Zs)

4

I, II, III, IV

50

5 Ipc

Entonces para nuestro transformador de 1500 KVA y de acuerdo a las tablas de categorías el transformador cae dentro de la categoría II.

De la siguiente tabla y para graficar los puntos de la curva de daño del transformador tenemos que:

Cabe señalar que las curvas de protección están basadas en una corriente de falla trifásica en el secundario, y pueden utilizarse directamente para transformadores conectados en delta - delta y estrella - estrella. Para la conexión delta - estrella aterrizada, los valores de la curva deben reducirse a 58 % de los valores de corriente mostrados, con el fin de proveer protección adecuada cuando ocurre en el secundario una falla de fase a tierra.

Por lo que el punto 1 = 35,851.36 x 0.58 = 20,793.79 Amp.

Para el punto 2:

Por lo que para el punto 2 = 25,095.95 x 0.58 = 14,555.65 Amp.

Para el punto 3:

Por lo que para el punto 3 = x 0.58 = 14,555.65 Amp.

Y para el punto 4:

Por lo que para el punto 4 = 9,841.20 x 0.58 = 5,707.89 Amp.

POR LO QUE SE ENCUENTRAN SATISFACTORIOS LOS RESULTADOS DEL PROGRAMA DE COMPUTO UTILIZADO.

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