6. Coordinación de la protección

Coordinación entre relés - fusibles

06/03/2009 cchilet@tecsup.edu.pe 275

Coordinación de Relés - fusibles

El procedimiento es similar a la graduación arriba descrito de los relés de sobrecorriente. Generalmente un intervalo del tiempo entre 0,1 y 0,2 segundos es suficiente para una coordinación de tiempo seguro.

En este caso las características muy y extremadamente inversas son a menudo más convenientes que las curvas normalmente inversas.

En este caso, la característica de funcionamiento del relé de sobrecorriente en la entrada tiene que coordinar con la curva del fusible.

Las características muy inversas se pueden utilizar con los fusibles del tipo expulsión (fusibles cut-out) mientras que las versiones extremadamente inversas se adaptan mejor a los fusibles limitadores de corriente.

En cualquier caso, la decisión final debe ser tomada trazando las curvas de diagrama de la coordinación en el papel Logarítmico-logarítmico.

Coordinación de Relés - fusibles

Protección de sobrecorriente de fase (51P/50P) -Coordinación de entre relés

Coordinación de protección

Consiste en seleccionar y ajustar los dispositivos de protección, para lograr una adecuada operación (selectividad) para distintas condiciones de falla.

Reglas básicas

Para una correcta coordinación:

Usar en lo posible relés de las mismas características.

Asegurar que los relés lejanos a la fuente tengan una calibración igual o menor que los relés ubicados aguas arriba.

Ajuste de la unidad temporizada del reléde fase (51P)

Unidad temporizada del relé de fase 51

Los valores pick-up de los relés de sobrecorriente de fase son normalmente ajustados 30% sobre la corriente de carga máxima.

Esta práctica es recomendada en particular para los relés electromecánicos con relaciones de restablecimiento de 0,8 a 0,85.

MAX LOADI 1,3 ≥SI

Los relés numéricos tienen altas relaciones de restablecimiento cerca de 0,95 permitiendo por lo tanto ajustes más bajo en aproximadamente 10%.

Los alimentadores con grandestransformadores y/o con cargas de motores requieren una consideración especial.

MAX LOADI 1,2 ≥SI

Unidad temporizada del relé de fase

Revisar los ajustes de corriente a fin de verificar que se cumpla:

I ajuste respaldo > k I ajuste principal

Donde k equivale a :

1,3 si un relé respalda a otro relé.

3,0 si un relé respalda a un fusible.

2,0 si un fusible respalda a otro fusible.

Condición 1

Condición 2

Se debe de cumplir que:

Donde:

F. S. : Factor de seguridad que tiene en cuenta los errores involucrados en los cálculos de las corrientes de cortocircuito, los errores del transformador de corriente y del rele. F. S. = 1,5 2,0

F. I. : es el factor de arranque de la curva del relé, definida por el fabricante ( 1,5 2,0).

ajuste

⋅ 2φ

Alimentadores con transformador.

La energización de transformadores causa corrientes de inserción (INRUSH) que pueden durar por segundos, dependiendo de su tamaño.

La selección del ajuste de corriente y el retardo de tiempo asignado tiene que ser coordinada de modo que las corrientes de inserción disminuyan debajo de los valores de restablecimiento del relé de sobrecorriente antes de que haya transcurrido el tiempo de funcionamiento calibrado.

La corriente de inserción típicamente solo contiene aproximadamente 50% de la componente de frecuencia fundamental.

Los relés numéricos que filtran hacia fuera los armónicos y la componente de la DC de la corriente de inserción por lo tanto pueden calibrase más sensibles. Los valores máximos de las corrientes de conexión (INRUSH) serán reducidos casi a una mitad en este caso.

Alimentadores con transformador.

Determinar el ajuste del TMS para el relé más alejado a la fuente (ajuste mínimo recomendado es de 0,05 ).

Luego determinar el ajuste del TMS del relé que respalda al relé aguas abajo, considerando la falla más severa, de tal modo de obtener el intervalo de tiempo deseado.

Repetir el paso anterior, para los siguientes relés .

Verificar la coordinación con la protección existente. De ser necesario repetir los pasos anteriores con un nuevo intervalo de coordinación.

Procedimiento

Ejemplo

Resultados

Ajuste de la unidad instantánea del reléde fase (50P)

Protección de la unidad instantánea (50).

El ajuste de unidad instantánea del relé de fase deberá ser ajustado de acuerdo a la zona de actuación deseada.

No hay regla específica para la definición de esta zona, dependiendo de las condiciones de cada alimentador.

Considerando que la corriente de cortocircuito es inversamente proporcional a la impedancia, la actuación de la unidad instantánea del relépuede indicar aproximadamente la distancia de la subestación, al punto de falla.

Una vez definida la zona de actuación de la unidad instantánea, o sea el TAP deberá ser escogido satisfaciendo las dos condiciones siguientes:

TAPIF: es el tipo de la unidad instantánea de fase.

Irush: es el valor de la corriente INRUSH de todos los transformadores del alimentador.

I2φASIM : es la corriente de cortocircuito 2φ asimétrico en el límite de la zona de protección de la unidad instantánea

R. T. C.:es la relación de transformación del T. C.

TAP INRUSHIF >

TAP ASIMIF

El ajuste en los transformadores, por ejemplo, se debe elegir cerca del 20 al 30% más alto que la máxima corriente de falla.

MAX F.50 I 1,3 1,2 →≈I

Protección de la unidad instantánea (50P) - Alimentadores con motor

La energización de motores causa unas corrientes de arranque que comienza inicialmente de 5 a 6 veces la corriente nominal (corriente de rotor bloqueado).

Una curva tiempo – corriente típica para un motor de inducción se muestra

Alimentadores con motor

En los primeros 100 ms., aparece adicionalmente una corriente de inserción asimétrica (inrush) que rápidamente decae.

Con los relés convencionales era práctica ajustar la corriente de la unidad de sobrecorriente instantáneo para la protección contra cortocircuitos arriba del 20 al 30 % de la corriente de rotor bloqueado con un retardo corto de 50 a 100 ms. para sobrellevar el período asimétrico de la corriente INRUSH.

Alimentadores con motor

ms 100 - 50

I 1,3 1,2

Ajuste de la unidad temporizada del relé de tierra 51N

Relés de falla a tierra.

En condiciones normales no debe de existir corriente en el neutro.

Se debe ajustar en el TAP menor, disponible (en los relés electromecánicos el menor TAP disponible es 0,5)

En sólidamente a tierra y aterrizados con baja resistencia se aplica generalmente una ajuste de 10 a 20 % de la carga nominal.

RATED LOADS I 20% 10% →=I

Puestas a tierra de alta resistencia requieren un ajuste mucho más sensible en el orden de algunos amperios primarios.

La corriente de falla a tierra de motores y de generadores, por ejemplo, se debe de limitar a valores debajo de 10 A para evitar el hierro que se queme.

Relés de falla a tierra.

Condición

Se debe verificar la relación siguiente:

TAPTT : Es el TAP de unidad temporizada de tierra (51N).

IccF-tmin : es la corriente de fase a tierra, calculada con una impedancia de 40Ω, al final del tramo protegido.

F. I.: factor de arranque de la curva del relé, definido por el fabricante (1,5 2,0)

ITAP TCCF

min−<

Esquemas de conexión a tierra

Hay cinco casos posibles de régimen de neutro.

Directo (rígido) a tierra.

Limitado por resistencia.

Limitado por reactancia.

Neutro aislado.

Reactancia sintonizada (bobina de Petersen).

Directo (rígido) a tierra. Limitado por resistencia.

Limitado por reactancia. Neutro aislado.

Reactancia sintonizada (bobina

de Petersen).

Neutro aislado

Principio de funcionamiento:

Intensidades de falta a tierra débiles.

Sobretensiones elevadas.

Por lo tanto, permite una alta continuidad en el servicio sin disparos indeseados (explotación en procesos continuos p.ej.), pero con el riesgo de dañar los aislantes.

Intensidad de defecto = Corriente capacitiva total

Id = ICOT = 3 C.ω.V

Neutro aislado

Si Id es débil, se puede autorizar el no disparo al primer defecto, manteniendo la continuidad de servicio.

Precauciones a tener en cuenta: las sobretensiones transitorias (Ferrorresonancia),

las sobretensiones permanentes en las fases sanas durante el defecto, debidas al desplazamiento del punto neutro.

Neutro aislado

El principal problema, radica en la complejidad del sistema de detección, puesto que los valores de intensidad de defecto son frecuentemente muy pequeños, y en redes con varias salidas en paralelo a neutro aislado, debemos recurrir a: las protecciones direccionales de tierra, y/o

protecciones a detección de tensión por medida del desplazamiento del punto neutro.

Además, estos valores pequeños de intensidad requieren de toroidales de captación sobre cable, porque con la suma de las 3 intensidades de fase no llegamos a tener suficiente precisión en la medida captada.

Neutro aislado

Debemos recordar que cuando realizamos la detección de homopolar por suma de las 3 intensidades:

Iso mín > 10% InTI,

siendo Iso mín = reglaje mínimo del umbral de detección de homopolar,

InTI = intensidad nominal primaria del TI, debido a la suma en cascada de los errores de precisión de los TI's de protección.

Neutro aislado

Neutro rígido puesto a tierra (directamente)

IN >> ICOT ⇒ Id IN.

Requiere interconectar todas las masas y efectuar tomas de tierra múltiples para la protección de las personas.

Neutro rígido puesto a tierra (directamente)

Posibilidad de daños importantes en el punto de defecto.

Nula influencia de las corrientes capacitivas.

Sobretensiones limitadas.

Facilidad de detección debido a que el valor de intensidad de defecto a detectar es elevado, por tanto una detección basada en la suma de las 3 intensidades de fase será suficiente.

Neutro puesto a tierra mediante resistencia

La resistencia limita el valor de la intensidad de defecto a tierra, y por tanto permite limitar los daños. Se escoge R tal que:

IR > 2 ICOT.

Las eventuales sobretensiones quedan limitadas por la resistencia de p.a.t.

Permite una detección simple del ramal de la red en defecto.

Protecciones asociadas

Reglaje (Iso) para asegurar una correcta detección

Iso << IRpor ejemplo; para una falla a tierra:

IR = 30 A ⇒⇒⇒⇒ Iso 5 a 10A

Reglaje para evitar disparos intempestivos Iso ≥ 1,3 a 1,5 IC.

Reglaje (Iso) para tener en cuenta el límite térmico de la resistencia de puesta a tierra.

Debemos tener presente además de la Intensidad de limitación, la intensidad permanente que es capaz de soportar la resistencia de p.a.t.

Por ejemplo:

IR permanente máx. (IRP) = 3 A ⇒ Iso 2,5 A.

Neutro puesto a tierra

por resistencia, a través de un transformador de p.a.t. o generador homopolar o bobina zig-zag

Neutro puesto a tierra

Dimensionado de la resistencia, ídem que para el caso anterior (resistencia en el punto neutro del transformador):

intensidad limitada máxima,

tiempo máximo de duración del defecto (a Imáx),

intensidad permanente soportable por la resistencia de p.a.t. (límite térmico).

Resolución de ejemplos prácticos.

Caso nº 1:

Neutro puesto a tierra por resistencia en punto neutro del transformador.

Ajuste de la protección homopolar en la salida del transformador

Caso nº 1:

Hallar valor de la R de limitación reglaje de las protecciones homopolares 1 y 2.

Consideraciones:1. IR > 2 IC total

2. Ir > 1,3 IC (corrientes capacitivas de cada ramal)

3. Ir > 12% IN LOAD / aTI (por suma 3 TI)

4. Ir < 10 a 20% IR (protección de los devanados del transformador y de la R de p.a.t.)

Solución caso nº 1:

Capacidad de las líneas de cable según curvas para cables 6/10 kV. Línea 1: 50 mm2 0,313 µF/km x 2 km = 0,626 µF Línea 2: 240 mm2 0,574 µF/km x 5 km = 2,87 µF

Corriente de fuga capacitiva caso de puesta a tierra de una de las fases ICOT =√3 .U.C ω, (U: tensión de línea) Línea 1: 50 mm2 ICOT =√3.6,3.0,626 .377 x10-3 =

2,575A Línea 2: 240 mm2 ICOT =√3. x 6,3x2,87 x377 x10-3 =

11,81A Total corriente capacitiva: 2,57 + 11,81 = 14,38 A

Solución caso nº 1:Condición 1ª) IR > 2 ICOT

IR > 2 x 14,38 A; IR > 29 A, corriente de limitación por resistencia R, IR

Condición 2ª) Ir > 1,3 ICOT Línea 1: 50 mm2 Ir1 > 1,3 x 2,58 A; Ir1 > 3,35 A

Línea 2: 240 mm2 Ir2 > 1,3 x 11,81 A; Ir2 > 15,35 A

Condición 3ª) Ir > 0,12 IN-TRAF DIST/aTI Líneas 1 y 2: In=630/√ 3 x 6,3= 57,73A por tanto, TI de

60/5 A relación aTI = 12

Condición 4ª) Ir < 0,1 a 0,2 IR Ir1 e Ir2 < 0,15 x 29 A=4,35 A

Nota: Las condiciones 1ª, 2ª y 3ª dan valores mínimos admisibles. La condición 4ª da valor máximo admisible.

Por tanto: Línea 1: 50 mm2: Ir1 mínimo (cond. 2ª) 3,35 A,

máximo (condición 4ª): 4,35 A Línea 2: 240 mm2: Ir2 mínimo (cond. 2ª): 15,35 A

máximo (condición 4ª): 4,35 A

Es necesario aumentar el valor IR como mínimo hasta

IR>15,35/0,1≈154 A Significa dimensionar más la resistencia R de puesta a

tierra del neutro.

En consecuencia se cumple:

La corriente de falla a tierra máx. por resistencia de puesta a tierra del punto neutro IR = 300 A

Reglaje de las protecciones homopolares Línea 1: 50 mm2: Ir1 = 3,5 A

Línea 2: 240 mm2: Ir2 = 15,5 A

Caso nº 2:

Reglaje de una protección homopolar / llegada transformador y resistencia de p.a.t. ¿3 TI's o toroidal?

Caso nº 2:

Hallar

Ajuste de las protecciones homopolares 3 y 4.Observaciones:

1. el ajuste de las protecciones 1 y 2 son los determinados en el caso nº 1.

2. en caso que el neutro del transformador no sea accesible, deberemos crear un neutro artificial⇒Generador homopolar. Proponer solución.

Solución del caso 2º

Es continuación del anterior caso nº 1, se ha incluido

las protecciones homopolares nº3 y nº4.

Protección nº 3: aTI = 120/5A= 24

Condición de selectividad Ir3 > Ir2, Ir3 > Ir1.

Ajuste elegido Ir3 = 18 A.

Protección nº 4

Es protección térmica para el paso de

corriente permanente por la resistencia R.

Habitualmente las resistencias de puesta a tierra del neutro en MT, se construyen para poder soportar el paso de una corriente permanente del orden del 8 a 10% de la intensidad máxima de cortocircuito unipolar a tierra, limitada por el propio valor de dicha resistencia.

Tomando en cuenta que el valor máx. de falla a tierra produce por IR=300 A (elegido en el anterior caso nº 1).

Las condiciones son:

1. Condición térmica:

Ir4 < 0,1 x 300 = 30 A

1. Condición de selectividad:

Ir4 > Ir2; Ir4 > 15,5 A.

Se elige pues Ir4 = 22 A.

Caso nº 3:

Generador homopolar.

Dimensionamiento de la protección.

Caso nº 3:

Hallar Ajuste de las protecciones homopolares 3 y 4.

Observaciones1. El ajuste de las protecciones 1 y 2 son los

determinados en el caso nº 1.

2. Para determinar el generador homopolar:

Ipermanente : normalmente es Id/ 10

Id (tiempo) : intensidad de defecto

Tensión (V)

Resolución del caso 3º

Es continuación de los casos anteriores nº 1 y nº 2 por generador homopolar habitualmente denominado también bobina de formación de neutro, o compensador de neutro.

La bobina de formación de neutro más utilizada es la denominada autozigzag.

La resistencia ohmica R entre el punto estrella de la bobina y tierra, es optativa.

Para la corriente máxima de cortocircuito unipolar a tierra Id = 300 A, la impedancia del conjunto bobina autozigzag con o sin resistencia R, es

En el caso de no haber la resistencia R entre punto estrella y tierra, la impedancia homopolar por fase de la bobina (Zo) = 3 x 12 = 36 que constructivamente es casi toda reactancia.

Se considera Zo≈Xo

Si se prevé la resistencia R entre punto estrella y tierra, se tiene

donde Xo la reactancia homopolar por fase de la bobina.

Eligiendo el valor de R, obtenemos Xo y viceversa

Para este caso, se elige Xo = 27.

entonces R =

Estas bobinas de formación de neutro y la

resistencia óhmica entre punto estrella y tierra,

si la hay, deben:

1. soportar el paso de la corriente máxima de

cortocircuito a tierra durante un tiempo

determinado, habitualmente de entre 10 y 20 seg. o

sea ampliamente superior al de interrupción por

actuación de las protecciones, normalmente ≤ 1seg.

2. Estar, aptas para una corriente permanente del 8 al

10% de la máxima de cortocircuito.

Si en el presente caso es de

30A (300 x 0,1)

el ajuste de la protección 4 debe ser

Ir4 < 30A por ejemplo 22 A

como en el caso anterior nº 2.

El ajuste de la protección 3 será como en el

caso anterior nº 2

(Ir3 < 18 A).

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