5PROTECCIONESCAPITULO2.2

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aproximadamente igual a 4Vg y as sucesivamente, pudiendohacer que la tensin en el condensador alcance a 5Vg. En esteanlisis se ha supuesto que las reigniciones ocurren en losinstantes ms desfavorable, es decir, cuando se producen losvoltajes transientes ms elevados. Es muy importante impedir queel arco se vuelva a iniciar en forma sucesiva, porque lassobretensiones producidas son peligrosas para los equipos del

sistema, mientras que si el arco persiste, podra llegar a quemar loscontactos de los interruptores.

-

+ +

-

L

C

vR

vg

i(t)

vc

A B

Figura 2.37.- Circuito equivalentea la apertura de una lnea en vaco

d. Caractersticas de un interruptor

El buen funcionamiento de un interruptor que abre con carga depende de que la rigidez dielctricaque puede ofrecer al paso del arco, tenga una velocidad de crecimiento adecuadamente elevada con respectodel voltaje establecido por el circuito externo entre los contactos, durante la carrera de apertura. Para cumplircon esta premisa en una aplicacin en particular, se requiere especificar una serie de factores que son parte delas caractersticas del interruptor. Entre estos factores se destacan:

d.1. Voltaje nominal

Es el valor efectivo mximo de la tensin entre fases, con la cual puede operar el interruptor en formapermanente. Se elige siempre un valor algo superior a la tensin nominal del SEP, por ejemplo: 15 kV, paraun sistema de 13,8 kV.

Los valores de tensin estn especificados para operacin en lugares donde la altura no supere los3.300 pies (1.000 metros.) sobre el nivel del mar. Un interruptor puede utilizarse con alturas mayores, pero sutensin nominal sufre una degradacin o derrateo (derating), segn la Tabla 2.10 siguiente:

Tabla 2.10.- Factor de degradacin o derrateo de la tensin nominal

Altura en pies Factor de derrateo

3.300 1,00

4.000 0,985.000 0,95

10.000 0,80

Para alturas superiores a los 10.000 pies, es necesario estudiar el problema en particular, ya que lacapacidad de interrupcin tambin puede resultar afectada.

d.2. Corriente nominal

Es el valor efectivo de la mayor corriente que los contactos pueden soportar en forma permanente, sincalentarse excesivamente, considerando una altura mxima de 3.300 pies. En el caso de que sta sea superior,la corriente nominal se degrada de acuerdo a los valores dados por la Tabla 2.11 siguiente:

Tabla 2.11.- Factor de derrateo de la corriente nominal

Altura en pies Factor de derrateo

3.300 1,04.000 0,9965.000 0,99

10.000 0,96


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i (t)

t1

gv (t)

Rv

t

cv

t

t

g2 V

g3 V

g-V

g-5 V

g-4 V

g-2 V

v ,ig

Figura 2.38.- Oscilograma de la interrupcin de una lnea en vaco


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d.3. Corriente de paso momentnea

Es el valor efectivo de la corriente por polo que puede circular durante un lapso determinado. Engeneral su valor es mayor que el de la corriente mxima de interrupcin y queda determinado por los lmitestrmicos y de fuerzas magnticas desarrollados en el interruptor.

d.4. Corriente de interrupcin nominal

Es el valor efectivo de la corriente total por polo que el interruptor puede soportar en el momento dela apertura (incluyendo la componente de corriente continua), si la tensin del sistema es la nominal. Paraobtener la corriente de ruptura a una tensin de operacin inferior a la nominal, se puede usar la siguienteexpresin:

O

NVNVO

V

VII = (2.20)

Donde:

IVO : Corriente de interrupcin al voltaje de operacin

IVN : Corriente de interrupcin nominal (a tensin nominal)VN : Voltaje nominal (entre lneas)VO : Voltaje de operacin (entre lneas)

El lmite superior es el valor de la corriente mxima de interrupcin, el cual no puede ser sobrepasadocualquiera que sea el voltaje de operacin.

d.5. Capacidad de ruptura simtrica

Es la potencia aparente trifsica que considera la tensin nominal y la corriente nominal deinterrupcin. Es constante dentro de cierto rango de tensiones inferiores a la nominal, es decir, los MVAnominales de interrupcin simtrica son:

VNNN IV3MVA = (2.21)

O bien:

MVA N O VO= 3 V I (2.22)

Si se considera que la corriente contiene la componente unidireccional (continua), se pueden emplearestas mismas relaciones, introduciendo un coeficiente comprendido entre 1,0 y 1,6; determinando de estaforma los MVA de interrupcin asimtricos. Estos coeficientes se pueden obtener tambin a partir de curvasque son funcin de la relacin X/R en el punto de falla y del tiempo transcurrido hasta que los contactos delinterruptor comienzan a separarse.

Algunos ejemplos de interruptores de poder se indican en la Tabla 2.12

Tabla 2.12.- Caractersticas de interruptores de poder

Tensin del sistema(kV)

Rangos de CorrienteNominal (A)

Corrientes deCortocircuito simtrico

(kA)

Capacidadcortocircuito (MVA)

66 800-2.000 13,1-21,9 1.500-2.500132 600-1.600 10,9-15,3 2.500-3.500


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Detalle de Componentes:

1. Estanque2. Vlvula de Drenaje,

para sacar muestras3. Estanque de aire

comprimido

4. Caja del mecanismo deoperacin

5. Tubos de proteccin debarras de acoplamiento

6. Resorte de operacin7. Bushing8. Indicador de nivel de

aceite9. Flange de soporte del

bushing10.Tapa de inspeccin11.Fundaciones

Figura 2.40.- Interruptortrifsico de gran volumen

de aceite

La cantidad de aceite que requiere este tipo de interruptor es del orden del 2% del anterior, es decirunos 240 litros, como promedio. Como desventajas se pueden mencionar el peligro de incendio y explosinaunque en menor grado comparados a los de gran volumen de aceite, no pueden usarse con reconexinautomtica, requieren una mantencin frecuente y reemplazos peridicos de aceite, es difcil conectartransformadores de corriente y tienen menor capacidad de ruptura.

e.2. Interruptores neumticos

Uno de los inconvenientes de los interruptores en aceite es el peligro que significa la presencia de unmaterial combustible en las cercanas de una fuente de alta temperatura, como lo es el arco elctrico. A loanterior se suma la necesaria mayor preocupacin que significa mantener el buen estado del aceite. Por estasrazones se usan interruptores que tienen sus contactos en aire.

Entre las ventajas se pueden mencionar, el que no hay riesgos de incendio o explosin, su operacines muy rpida, pueden emplearse en sistemas con reconexin automtica, tienen alta capacidad de ruptura, lainterrupcin de corrientes altamente capacitivas no presenta mayores dificultades, hay menor dao y msfcil acceso a los contactos, son comparativamente de menor peso.

Presentan sin embargo, algunas desventajas, tales como las siguientes: deben tener una complejainstalacin debido a la red de aire comprimido, que incluye motor, compresor, caeras, etc. y por lo tanto suconstruccin es ms compleja y con mayor costo, requiere de personal especializado para su mantencin yson ms sensibles a la tensin de reignicin del arco.

Se pueden construir como interruptores de aire a presin atmosfrica, los que son poco aplicables en sistemasde alta tensin, y de tipo aire comprimido, los que se emplean principalmente en sistemas de alta tensin. Acontinuacin se indican algunos aspectos constructivos y de funcionamiento de cada uno de ellos.


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a)

b)

Figura 2.41.- a) Interruptor de pequeovolumen de aceite, b) Esquema de la

cmara de extincin

Detalle de componentes en la Figura 2.41 b)

1. Abertura de escape de gases2. Contacto fijo

3. Anillo apaga chispas4. Espacio cilndrico donde se produce el arco5. Cmara de extincin

6. Arco elctrico7. Aceite

8. Discos de material aislante intermedios9. Varilla mvil

Interruptores de aire a presin atmosfrica

El mecanismo para la extincin del arco consiste exclusivamente en aumentar su longitud, lo queadems de ser conseguido por la separacin de los contactos, se logra principalmente de dos maneras:

Conveccin natural: Se disponen los contactos de tal modo que el calor desarrollado en la zona delarco provoque una corriente de aire por conveccin que lo alargue llevndolo a zonas ms fras. Este mtodoes el menos eficiente por lo cual prcticamente no se usa en alta tensin.

Por soplo magntico: En estos interruptoresla corriente elctrica que forma el arco se hace pasarpor bobinas dispuestas de tal modo que por atraccinmagntica produzcan un alargamiento del arco,hacindolo describir una trayectoria prefijada a travsde un dispositivo apaga-arcos. La Figura 2.42muestra en forma esquemtica este tipo deinterruptores.

Figura 2.42.- Representacin esquemtica de unpolo de un interruptor de soplo magntico


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Interruptores de aire comprimido

En este tipo de interruptores, tal como se muestra enla Figura 2.43, por ejemplo, el arco se apagaestirndolo y enfrindolo con ayuda de un chorro deaire que se fuerza a pasar entre los contactos en elproceso de apertura. Las cmaras de extincin estn

a tensin de la lnea y pueden ser unidas en seriepara alcanzar cualquier nivel de tensin. Su granpoder de extincin hace que este tipo de interruptorsea el ms usado, a tensiones donde no se puedausar el de gran volumen de aceite. El carcterexplosivo de la operacin con aire comprimido loshace ser bastante ruidosos. En algunos casos, elmecanismo de operacin tambin funciona con airecomprimido.

Depsito de aire

Apaga arco

Contacto

Contacto

Silenciador

Vlvulade Control

Figura 2.43.- Diagrama esquemtico de un interruptorde aire comprimido de chorro transversal

Las Figuras 2.44 a) y b) muestran esquemticamente un interruptor de aire comprimido y la seccinlongitudinal de una cmara de extincin, respectivamente.

12 3

4

5

6

7

8

9

Detalle de componentes en la Figura 2.44 a)

1. Cmaras de arco2. Contacto fijo3. Contacto mvil4. Resorte de aceleracin

Figura 2.44 a) Esquema de un interruptor de aire

comprimido; b) Corte longitudinal de una cmara deextincin

5. Escape del aire6. Columna aislante7. Vlvula8. Tablero de Control9. Estanque de aire comprimido

El continuo aumento en los niveles de cortocircuito en los sistemas de potencia ha forzado aencontrar formas ms eficientes de interrumpir corrientes de fallas que minimicen los tiempos de corte yreduzcan la energa disipada durante el arco. Es por estas razones que se han estado desarrollando conbastante xito interruptores en vaco y en hexafluoruro de azufre (SF6).

e.3. Interruptores en vaco

La alta rigidez dielctrica que presenta el vaco (es el aislante perfecto) ofrece una excelentealternativa para apagar en forma efectiva el arco. En efecto, cuando un circuito en corriente alterna sedesenergiza separando un juego de contactos ubicados en una cmara en vaco, la corriente se corta al primercruce por cero o antes, con la ventaja de que la rigidez dielctrica entre los contactos aumenta en razn de


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miles de veces mayor a la de un interruptor convencional (1 kV/s para 100 A en comparacin con 50 V/spara el aire). Esto hace que el arco no vuelva a re-encenderse. Estas propiedades hacen que el interruptor envaco sea ms eficiente, liviano, y econmico.

La presencia del arco en los primeros instantes despus de producirse la apertura de los contactos sedebe principalmente a emisin termoinica y a emisin por efecto de campo elctrico. En otras palabras, losiones aportados al arco provienen de los contactos principales del interruptor. Conviene destacar que en

ciertas aplicaciones se hace necesario mantener el arco entre los contactos hasta el instante en que la corrientecruce por cero. De esta forma se evitan sobretensiones en el sistema producto de elevados valores de di/dt. Laestabilidad del arco depende del material en que estn hechos los contactos y de los parmetros del sistema depotencia (voltaje, corriente, inductancia y capacitancia). En general la separacin de los contactos fluctaentre los 5 y los 10 mm.

La Figura 2.45 muestra el esquemade un interruptor en vaco.

Entre las ventajas, que presenta, sepueden indicar las siguientes: tiempo deoperacin muy pequeo; en general, la

corriente se anula a la primera pasada porcero, la rigidez dielctrica entre loscontactos se restablece rpidamenteimpidiendo la reignicin del arco, sonmenos pesados y ms baratos,prcticamente no requieren mantencin ytienen una vida til mucho mayor que lade los interruptores convencionales.

Como desventajas se puedenmencionar, su baja capacidad de ruptura(de entre 60 a 100 MVA), la posibilidad

de generar sobretensiones debido alelevado di/dt.

Figura 2.45.- Diagrama esquemtico de la seccin transversal deun interruptor de alto vaco

e.4. Interruptores en Hexafluoruro de Azufre (SF6)

El hexafluoruro de azufre se usa como material aislante y tambin para apagar el arco. El SF6 es ungas muy pesado (5 veces la densidad del aire), altamente estable, inerte, inodoro e ininflamable. En presenciadel SF6 la tensin del arco se mantiene en un valor bajo, razn por la cual la energa disipada no alcanzavalores muy elevados. La rigidez dielctrica del gas es 2,5 veces superior a la del aire (a presin atmosfrica).La rigidez dielctrica depende de la forma del campo elctrico entre los contactos, el que a su vez depende dela forma y composicin de los electrodos. Si logra establecerse un campo magntico no-uniforme entre loscontactos, la rigidez dielctrica del SF6 puede alcanzar valores cercanos a 5 veces la del aire. Son unidades

selladas, trifsicas y pueden operar durante largos aos sin mantencin, debido a que el gas prcticamente nose descompone, adems de no ser abrasivo.

Dada la alta rigidez dielctrica que el gas presenta, es un excelente aislante. Por ello resulta serirremplazable en las subestaciones del tipo encapsulado, donde se utiliza adems como medio de aislacinpara las barras de alta tensin. La subestacin encapsulada o GIS (Gas Insulated Switchgear), tiene la granventaja de ocupar mucho menos espacio que una subestacin convencional (aproximadamente un 50%), loque muchas veces compensa desde el punto de vista econmico el mayor costo inicial. La presin a que semantiene el SF6 en interruptores es del orden de 14 atmsferas mientras que en switchgear alcanza las 4atmsferas. Quizs si la nica desventaja de este tipo de interruptor consiste en que no pueden operarse a


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temperaturas muy bajas (inferiores a 10 C), para evitar que el gas se lice, lo que obliga a utilizarcalefactores cuando se emplea en el exterior.

La Figura 2.46 muestra un esquema que permite observar las diferentes partes que componen unmdulo de un polo del interruptor tipo FA de autosoplado, en SF6, de Merlin Gerin, utilizado para tensionesque van desde los 72,5 a 765 kV. Segn la tensin, un polo del disyuntor FA est constituido por uno o variosmdulo, de una o dos cmaras. El mdulo incluye, dos cmaras de corte conectadas en serie, dos

condensadores de reparto de tensin, montados en paralelo sobre las cmaras de corte, un gato hidrulico parala conexin, etc. La Figura 2.47 muestra los disyuntores FA 1 y FA 2 en servicio.

Detalle de los componentes de laFigura 2.46.

1. Cmara de corte2. Contacto fijo3. Contacto mvil4. Condensador5. Conducto acoplamiento de las

cmaras

6.

Dispositivo de gua7. Conjunto de bielas de mando8. Crter9. Aislador-soporte10.Biela aislante11.Caja colocacin de resortes12.Resortes13.Gato hidrulico14.Acumulador de aceite a alta

presin15.Estanque auxiliar de baja presin16.Armario de mando

17.

Chasis metlico18.Manostato

Figura 2.46.- Mdulo de un polo delinterruptor de autosoplado en SF6,

tipo FA (Merlin Gerin)


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a) b)

Figura 2.47.- Disyuntores en SF6, en servicio: a) Tipo FA 1; b) Tipo FA 2

2.3.2. Mecanismos y circuitos de control

a. Mecanismos

Los mecanismos que utilizan los interruptores en su operacin, concentran una gran cantidad deenerga que se libera en fracciones de segundo. Para contar con la energa necesaria, los interruptores usanmecanismos tales como la compresin de resortes espirales o el uso de barras de torsin, como tambin laacumulacin de aire comprimido a gran presin.

El mecanismo mas comn consiste en un tren de palancas que es accionado por un solenoide o unpistn operado por aire comprimido o aceite, mediante el cual se produce el cierre. El sistema de palancasest diseado para mantenerse en la posicin cerrado mediante una lengeta de desenganche la que al seractivada libera la energa acumulada, abriendo de este modo el interruptor. La energa de reserva se acumulaen el proceso de cierre y puede ser bastante grande. Por ejemplo si el cierre de un interruptor de 132 kV sehiciera mediante un solenoide, requerira una potencia del orden de 50 kW. Por este motivo se usa aire a unapresin de 150 a 200 libras/pulgada cuadrada y se emplean alrededor de 6 pies cbicos en cada operacin.

Los interruptores de media y alta tensin tienen como mnimo la energa suficiente para lograr uncierre y una apertura con la energa acumulada en su mecanismo. Por supuesto, la mayora de losinterruptores modernos tienen la capacidad para efectuar ms de un ciclo de cierre apertura. En cualquier

caso, el interruptor debe terminar su ciclo con una operacin de apertura.

b. Circuitos de control

Un interruptor puede ser accionado directamente en forma manual (operacin local), o bien, medianteun electroimn que se puede energizar a distancia (operacin remota). Generalmente, se dispone de doselectroimanes con potencias del orden de los 100 a 200 watt que se destinan a liberar la energa almacenada.Se denominan: Bobina de Cierre (BC), con su equivalente en ingls Close Coil (CC) y Bobina deDesenganche (BD), con su equivalente Trip Coil (TC). Estas dos bobinas estn diseadas para trabajar en


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forma intermitente, puesto que se construyen para que sean capaces de operar hasta con el 60% del voltajenominal, para asegurar su operacin bajo condiciones anormales de voltaje de control.

b.1. Alimentacin de los Circuitos de Control

Las principales fuentes de energa elctrica utilizadas en el control de los interruptores de poder son:

Bancos de acumuladores

Se denominan tambin bateras de control y son las que suministran la mayor parte de la energarequerida para el funcionamiento de los diferentes circuitos de control. Se prefiere este tipo de alimentacinpor su seguridad y eficiencia en lugares donde existen las facilidades para instalar bancos de bateras, o bien,cuando la cantidad de interruptores as lo exige. Las bateras que conforman el banco pueden ser del tipoplomo-cido o alcalinas, siendo estas ltimas bastante ms caras que las primeras, aunque tienen una mayorduracin. Las tensiones que se usan pueden ser: 48 Volts para instalaciones pequeas o medianas concapacidades de 70 a 150 Amperes-hora; 125 Volt con capacidades de 200 a 400 Amperes-hora. En formaexcepcional, se pueden encontrar bancos de bateras para 220 Volt, con capacidades superiores. Todos loscircuitos necesarios para el comando de los interruptores y otros equipos de una instalacin, adems delsistema de alarmas y sealizaciones que se alimentan de la misma fuente de corriente continua, constituyen el

Circuito de control de C.C. de la instalacin

Transformadores de servicios auxiliares

Se usan en subestaciones pequeas que no disponen de bateras de control y cuando se trata de pocosinterruptores para transformadores de potencias menores a 4 MVA. Generalmente, se trata de interruptoresque tienen sus bobinas diseadas para operar con corriente alterna. En la prctica se recurre,excepcionalmente, a utilizar interruptores con bobinas para corriente continua que se alimentan a travs de unrectificador.

La alimentacin se obtiene de transformadores para servicios auxiliares con potencias del orden de 15kVA, con secundarios en estrella de 400-231 Volt. En algunos casos el control se alimenta de los mismostransformadores de potencial de la Subestacin (S/E) que proveen la energa suficiente para hacer efectivas

las rdenes, adems de suministrar la informacin necesaria. Ocasionalmente, la energa puede obtenerse delos transformadores de corriente, aunque en este caso se usan exclusivamente para dar desenganche antefallas, siendo la operacin de cierre efectuada manualmente.

b.2. Contactos auxiliares

En cualquier interruptor de poder se consulta la existencia de contactos que estn previstos para finesde control. Estos contactos (auxiliares) estn diseados para trabajar con valores de voltaje y corrientes decontrol (125 Volt C. C. y 10 Amperes, por ejemplo). Los contactos auxiliares que siguen la accin delinterruptor, es decir, cierran cuando ste cierra se denominan tipo a. Los contactos que siguen la posicincontraria, es decir, abren cuando el interruptor cierra, se denominan tipo b. (Figura 2.48)

Otra designacin que se suele utilizar se basa en laposicin que tienen los contactos cuando el elemento que losacciona est desenergizado, se dice: como se recibi defbrica. En este caso un contacto tipo a se denominanormalmente abierto (NA) y un contacto tipo b,normalmente cerrado (NC). Todos estos contactos estnadosados al mismo eje de los contactos principales, de modoque su operacin coincida exactamente con la del interruptor.En algunos casos, dentro de este mismo conjunto se consulta

a b

Figura 2.48.- Representacinesquemtica de contactos auxiliares


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la existencia de contactos que tienen un pequeo adelanto en la operacin que les corresponde denominadosaa o bb segn sea el caso.

b.3. Switch de control

Los switches o llaves de control son los encargados de comandar los interruptores de poder, a travsdel circuito de control dando rdenes de cierre o de apertura. Generalmente se ubican en los tableros o

pupitres de control de las salas de comando, an cuando pueden tambin estar ubicados en el mismointerruptor.

La Figura 2.49 muestra el aspecto exterior del switch de control, as como la disposicin de loscontactos y la Tabla 2.13, el diagrama de secuencia en que los contactos operan. La letra X indica quecontacto est cerrado segn la posicin del switch. Por ejemplo, los contactos 1-1c y 4-4c son simples ycierran al poner el switch en la posicin cerrar, pero el contacto 3-3c cierra tanto en la posicin cerrarcomo abrir.

Por construccin, la manilla del switch permanece siempre en la posicin central (reposo), pudiendoser girada hacia la izquierda para dar una orden de cerrar, o bien, hacia la derecha para dar una orden de abrir.La manilla mueve un eje de camos que actan sobre los contactos que se cierran o abren de acuerdo aldiagrama de la Tabla 2.13. Al soltar la manilla, sta vuelve a la posicin central pero en la ventanilla queda

una tarjeta que de acuerdo a su color indica la posicin a que se movi la manilla la ltima vez. Si la tarjeta esroja, la manilla se movi a la posicin cerrar. Si la tarjeta es verde, la manilla se movi a la posicin abrir.Adems de esto, se consultan ampolletas de sealizacin: de color rojo para cerrado y de color verde paraabierto. De este modo se comprueba si el interruptor cumpli con la orden que se le dio. La disposicinfsica de las ampolletas se muestra en la Figura 2.49 y su alimentacin se hace a travs de contactos auxiliaresdel interruptor tal como se muestra en la Figura 2.50.

V RSealizacin de laltima maniobra

cerrar reposo abrir

1

5

7

2

3 4

8

1c 2c

3c 4c

5c

7c 8c

a) b)

Figura 2.49.- Switch de control; a) Vista superior; b) Disposicin de contactos y puentes

Tabla 2.13.- Diagrama de operacin de contactos

Contact

o N

Abrir Normal despus

de abrir

Normal despus

De cerrar

Cerrar

1-1c X2-2c X3-3c X X4-4c X5-5c X X7-7c X X8-8c X X


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50

Adems de la sealizaciones anteriores, las protecciones que ordenan la apertura de interruptoresposeen sistemas que permiten visualizar cual de ellas oper (unidad de sello y tarjeta, por ejemplo). Losinterruptores mismos, cuentan con sistemas de alarma de tipo auditivo ya sea cuando operan o bien paraindicar algn tipo de perturbacin que no provoque una apertura inmediata.

b.4. Clasificacin de los circuitos de control

Se pueden clasificar en dos grandes grupos, de acuerdo con su fuente de alimentacin:

De comando por corriente continua

En la Figura 2.50 se muestra un circuito de este tipo y su funcionamiento es el siguiente:

Cierre del Interruptor: Con el interruptor abierto, la posicin de los contactos es la mostrada en laFigura 2.50. En estas condiciones, est encendida la ampolleta verde a travs de 52/b (bornes 1-2) y apagadala ampolleta roja, pues 52/a (bornes 7-8) est abierto. Para cerrar el interruptor se lleva el Switch de control(Swc/52) a la posicin cerrar, energizndose la bobina de cierre (52/BC) a travs de 1-1c y 52/b (bornes 5-6). El interruptor efectivamente se cierra y cambia la posicin de todos sus contactos; por lo tanto se cierra52/a (bornes 7-8), con lo que se enciende la ampolleta roja a travs de la bobina de desenganche (52/BD) laque de todas formas no opera, puesto que la corriente no es suficiente para que ello ocurra. La ampolleta roja

encendida indica que el interruptor efectivamente cerr y que el circuito de desenganche tiene voltaje parauna prxima operacin de apertura. En el circuito de cierre se abre 52/b (bornes 5-6) por lo que sedesenergiza la bobina de cierre, pero el interruptor queda cerrado en forma mecnica. Adems se abre 52/b(bornes 1-2) con lo que se apaga la ampolleta verde

Apertura del interruptor: Esta se puede hacer energizando la bobina de desenganche, llevando lamanilla del Switch de control (Swc/52) hacia la posicin abrir, lo que cierra los contactos 2 y 3 o por laoperacin de la proteccin, cuyos contactos se han designado por P. En cualquiera de los dos casos secortocircuita la ampolleta roja (que se apaga) y se energiza la bobina de desenganche 52/BD a travs delcontacto 52/a (bornes 7-8) y el interruptor se abre, con lo que se enciende la ampolleta verde, a travs delcontacto 52/b (bornes 1-2)

52BD

52a

Fusible Fusible

PSwc52

2

3

5

67

8

1

2

1c

1Swc52

b52

FusibleFusible

BC52

Circuito de Apertura Circuito de Cierre

R

900

R

b52

R

900

V

Fig. 2.50.- Diagrama elemental de control de un interruptor de poder


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51

El desenganche es elctricamente libre porque no depende de si el Swc/52 (bornes 1-1c) est cerradoo no. En el caso en que 1-1c se encuentre cerrado (el operador mantiene la orden de cierre del interruptor), laapertura se hace de todas maneras, pues 52/b (bornes 5-6) est abierto. Sin embargo, este esquema tiene elproblema de que si se mantiene la orden de cerrar, una vez que el interruptor ha abierto, se producirnsucesivos cierres y aperturas, dando origen al denominado bombeo del interruptor. Para evitar esteproblema se hace uso de un circuito que cuenta con un rel antibombeo (94), tal como el que se muestra en laFigura 2.51, donde por simplicidad se han eliminado las ampolletas indicadoras.

En el esquema se aprecia que si se mantiene la orden de cierre contra la falla, el interruptor no vuelvea cerrar debido a que el circuito de la bobina de cierre queda interrumpido por el contacto 94/b (bornes 1-2)del rel de antibombeo, de modo que para cerrar nuevamente el interruptor, se debe inhabilitar el rel 94abriendo el contacto 1-1c del Switch control y volvindolo a cerrar. Este circuito no es necesario en losinterruptores de soplo de aire, ya que las bobinas de cierre que comandan las vlvulas de aire comprimidonecesitan ser desenergizadas para que sea posible efectuar una nueva orden de cierre.

52BD

52a

Fusible

PSwc52

2

3

7

8

Fusible

Circuito de Apertura

Fusible

1c

5

6

Rel antibombeo

94

1

3

4

1

23

4

Swc52

94b

a94

b52

Fusible

BC52

a52

Circuito de Cierre

Figura 2.51.- Circuito de control de interruptor con rel antibombeo

De comando por corriente alterna

Se usa en subestaciones inferiores a 4 MVA, que no dispongan de bateras de control. Las solucionesms usadas son:

Trip serie: Mediante el uso de la corriente circulante por el propio interruptor controlado, ya seadirectamente si la tensin y la corriente lo permiten o, como es ms comn, a travs de TT/CC. La Figura2.52 muestra el circuito de control de interruptores tipo trip serie directo para el rel de sobrecorriente IAC51C (General Electric). El sistema funciona de la siguiente manera: En condiciones normales, la corriente decarga circula por la bobina del rel 51 y por X1 a travs del contacto cerrado X que se mantiene en estaposicin debido a la corriente que circula por X1. El contacto X a su vez cortocircuita las bobinas de sello ytarjeta del rel y de apertura del interruptor. Si existe una corriente muy alta que haga operar el rel 51 secierra 51/a que cortocircuita la bobina X2; en esta circula una corriente debido a la tensin inducida por lacorriente que circula por la bobina X1. La corriente inducida en X2 es tal que hace aumentar la reluctancia delcircuito magntico a la izquierda de la bobina X1, por lo que el flujo producido por X1 se cierra a travs delncleo situado a la derecha. As entonces, se abre X y la corriente pasa por la bobina de sello y tarjeta


16/31

52

(51/SyT) y de desenganche del interruptor (52/BD) lo que hace que se cierre el contacto de la bobina de selloy tarjeta SyT/a dando otra va de circulacin a la corriente en X2 y se abra al interruptor. Aunque ahora nohay corriente en el secundario del T/F de corriente el interruptor queda abierto.

T/C

xx

52

51

52BD

51a a

SyT

51SyT

1X

X

1XX

ResorteX2

X2

a) b)

Figura 2.52.- a) Circuito de control tipo trip serie b) Diagrama esquemtico del rel auxiliar X

Mediante el uso de energa obtenida antes o despus del interruptor controlado: La Figura 2.53muestra un circuito de control en que la energa se obtiene de transformadores de servicios auxiliaresubicados antes (aguas arriba) del interruptor controlado. El funcionamiento de este circuito es semejante a losya estudiados. Se debe hacer notar que para el circuito de control se usa energa de C.A. rectificada. Elcondensador de disparo C permite disponer siempre de la energa necesaria para la apertura, ya que parafallas cercanas al punto en que se obtiene la energa, la tensin puede ser muy pequea.

T/C

xx

52

51 52BD

52a

51a a

SyT

51SyT

T/F de SS/AA

de T/F de SS/AA

Fusible

Rectificador

C

Fusible

Hacia la carga

Figura 2.53.- Control de un interruptor de poder usando energa en C. A.


17/31

53

Otros esquemas utilizados

La Figura 2.54 muestra dos esquemas que usan energa proveniente de fuentes de corriente alternapara el control. Ella se puede obtener desde transformadores de corriente (Figura 2.54 a) o de transformadoresde potencial (Figura 2.54 b). Los transformadores de potencial se conectan entre fases, para obtener unvoltaje suficiente en el caso de fallas monofsicas.

T/C

xx

52BD52

Transactor

51a

51

x

x

51a

a52

T/P

52BD

a) b)

Figura 2.54.- Circuitos de control alimentados por C. A. proveniente de: a) Transformadores de corriente; b)Transformadores de Potencial

2.3.3. Reconexin automtica de interruptores

Considerando que estadsticamente se ha demostrado que la gran mayora de las fallas son de tipotransitorio, especialmente cuando se trata de lneas areas y que es conveniente reducir lo mas posible laduracin de las interrupciones del servicio, se ha previsto efectuar reconexiones operando automticamente

los interruptores, cuando su apertura obedece a una falla. Es decir, cuando se abren por operacin de lasprotecciones. En ningn caso por apertura manual. El equipo necesario para esta operacin, es un conjunto derels, generalmente temporizados, que forman parte del circuito de control del interruptor.

Debe tenerse presente que no siempre las reconexiones son posibles, especialmente entre distintassecciones de un sistema interconectado donde pueda perderse el sincronismo entre las partes. Tambin cabemencionar que se utiliza la reconexin monopolar en sistema de gran potencia y elevada tensin. Paralograrlo se requiere contar con interruptores especialmente diseados que puedan abrir o cerrar cada polo enforma independiente. La reconexin automtica se usa especialmente en lneas de transmisin radiales paraaumentar la continuidad de servicio. El tiempo de reconexin del interruptor debe especificarse de acuerdo alas caractersticas de operacin del sistema elctrico. Por ejemplo en sistemas de distribucin urbana lareconexin puede ser lenta, no as en sistemas industriales o en lneas de transmisin. En sistemas detransmisin, cuando es posible hacerlo, los tiempos de reconexin deben ser muy rpidos de manera de evitarprdidas de sincronismos o problemas de estabilidad. Tambin al calcular el tiempo de reconexin se debeconsiderar la desionizacin del arco de manera de eliminar la posibilidad de reencendido. Este tiempo muertodepende del nivel de tensin y para sistemas sobre 115 kV es de alrededor de 8 ciclos. El diagrama deoperacin de un interruptor operado con reconexin automtica se muestra en la Figura 2.55.

Al usar un interruptor de potencia en un sistema con reconexin automtica la capacidad de rupturadel disyuntor debe modificarse de acuerdo al ciclo de trabajo con que se utilizar el interruptor. El clculo dela nueva capacidad de ruptura debe efectuarse tomando en cuenta los siguientes aspectos:


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54

El ciclo de trabajo no debe tener ms de 5 aperturas. Toda operacin dentro de un intervalo de 15 minutos se considera parte de un mismo ciclo de trabajo. El interruptor debe usarse en un sistema cuya corriente de cortocircuito no exceda el valor corregido

de la corriente de interrupcin para la tensin nominal y el ciclo de trabajo especificado.

RetardoRel

Tiempo Interrupcin

TiempoApertura

CortoCircuito Energizacin

BobinaInterruptor

Aperturacontactos

principalesarco en cont.

ApagadoAuxiliares

Arco en Cont.Encendido

auxiliaresarco en cont.Extincin

Orden de

Reconexin

PrincipalesContactosCierre

Tiempode ArcoContactos

Auxiliares

Tiempo de Reconexin

Tiempo separacinContactos principales

Figura 2.55.- Ciclo de trabajo de un Interruptor Automtico trabajando en reconexin automtica

Los interruptores especialmente diseados para operar con reconexin automtica se llamanRestauradores o Reconectadores. El reconectador es un aparato que al detectar una condicin desobrecorriente abre sus contactos, y una vez que ha transcurrido un tiempo determinado cierra sus contactosnuevamente, energizando el circuito protegido. Si la condicin de falla sigue presente, el restaurador repite lasecuencia cierre-apertura un nmero determinado de veces (por lo general son 4 como mximo). Despus dela cuarta operacin de apertura queda en posicin de abierto definitivamente. Cuando un reconectador detectauna situacin de falla abre en un ciclo y medio. Esta rpida operacin de apertura disminuye la probabilidad

de dao a los equipos instalados en el circuito en falla. Uno o uno y medio segundos despus cierra suscontactos, energizando nuevamente el circuito. Despus de una, dos, y hasta tres operaciones rpidas elrestaurador cambia a una operacin de caractersticas retardada. Este cambio de caracterstica a una ms lentapermite coordinar este dispositivo con otros equipos de proteccin.

2.4. Rels

Los rels de proteccin para sistemas de potencia estn constituidos por una o ms unidadesdetectoras de falla o Unidades de Medida, cuya funcin es recibir la informacin del equipo primario ydiscriminar si existe o no una condicin anormal. Para este efecto compara la magnitud elctrica medida conotra llamada de referencia, que le ha sido proporcionada con anterioridad a travs de sus elementos deajuste. En el caso de detectar una condicin anormal, emitir la orden correspondiente a travs del resto delos elementos que componen el rel: Unidades auxiliares, contactos, resistencias, condensadores, alambrados,

etc., a objeto de desconectar el sector o equipo comprometido, despejando la falla.

2.4.1. Tipos de rels segn su funcin

Existe una gran variedad de aplicaciones, por lo cual existe una gran diversidad de tipos quedesempean una funcin en particular. Desde este punto de vista se pueden clasificar en:

Rels de proteccin: Detectan las anormalidades y dan inicio o permiten la desconexin de unequipo o un grupo de equipos de poder. Ejemplo: Rels de sobrecorriente; rels direccionales; relsdiferenciales; rels de distancia, etc.


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55

Rels auxiliares: Operan en respuesta a la energizacin de un circuito y asisten a otros rels odispositivos en alguna funcin. Normalmente trabajan en dos condiciones: energizado odesenergizado (ON-OFF). Su operacin generalmente es del tipo instantnea, aunque tambin existenrels temporizados. Ejemplo: Rels de sello y tarjeta, rels multiplicadores de contactos, etc.

Rels de regulacin: Operan cuando la magnitud que supervisan, se sale de mrgenes aceptablespredeterminados, dando instrucciones a travs de otros dispositivos para que se restaure la magnituden particular a sus lmites usuales. Ejemplo: Reguladores automticos de voltaje de unidadesgeneradoras, sincronizacin automtica de mquinas sincrnicas, etc.

Rels de verificacin: Su funcin es verificar una condicin en particular, en relacin a un ciertolmite prescrito e iniciar acciones diferentes a la desconexin de equipos. Ejemplo: rels de bloqueode sincronismo, rels de lmite de carrera, etc.

2.4.2. Clasificacin de los rels segn el tiempo de operacin

El tiempo de operacin de un rel se mide entre el instante en que se hace presente la causa de suoperacin y el cambio de posicin de sus contactos. El trmino cambio de posicin de sus contactos sedebe a que hay rels que al estar desenergizados tienen sus contactos cerrados y al operar los abren, como hayotros que tienen posiciones opuestas o bien disponen de ambos tipos de contactos. Esta es una manera generalde expresarse, ya que el rel puede ser de tipo electrnico y su salida ser un rectificador controlado sin queello signifique que vaya a abrir o cerrar contactos, sino ms bien habilitar un circuito a su nueva forma deoperacin. Desde este punto de vista, los rels se pueden clasificar en:

De alta velocidad: En que el tiempo de operacin es inferior a 1/20 seg. (2,5 ciclos considerando lafrecuencia usual de 50 Hertz como base)

Lentos o de baja velocidad: Operan en tiempos mayores de 1/20 seg.

En la prctica se denominan rels instantneos a los que operan en menos de 10 ciclos y de altavelocidad a los que operan en menos de dos ciclos. Al resto se les considera temporizados y entre ellos sedistinguen los de tiempo definido y los que responden a una curva de tiempo versus la magnitud de medida.

2.4.3. Componentes y unidades de un Rel

Un rel desarrolla la funcin para la cual est diseado, a travs de ciertos elementos o unidadescomo las que se describen a continuacin:

Elementos de ajuste: Tienen como funcin la de poder dar diferentes niveles de operacin y obtenercaractersticas especiales de funcionamiento. Estos elementos son generalmente resistencias,reactancias, condensadores, bobinas con derivaciones o taps, etc.

Elementos auxiliares: Son elementos auxiliares internos del rel que se usan para adecuar las sealesexternas de modo de adaptarlas a la unidad de medida del rel. Por ejemplo, transformadores decorriente auxiliares, shunt para transformar una seal de corriente en voltaje.

Unidad de medida: Esta unidad es la que recibe en ltimo trmino, la informacin acerca del equipoprotegido, en la forma de corrientes y voltajes reducidos y determinando por comparacin la

existencia de una condicin anormal.

Elementos de sealizacin y sello: Se agrupa aqu a los elementos internos del rel que permitensealizar su operacin (generalmente en forma visual: cada de una tarjeta, encendido de una sealluminosa, etc.) y los que permiten aumentar la cantidad de potencia que puede manejar el rel.(Contactos auxiliares).

En general, un rel puede tener a lo menos el elemento de ajuste y la unidad de medida, agregndoselos otros segn sea la funcin que cumple dentro del esquema de proteccin o el tipo de rel.


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2.4.4. Componentes de la unidad de medida

De todos los componentes anteriores, la unidad de medida es la ms importante, de modo que podraconsiderarse al resto como auxiliares. Los elementos que la componen son los siguientes:

Elementos de excitacin: Por lo general son bobinas y sirven de intermediarios entre la informaciny el elemento comparador.

Elemento comparador: Es el encargado de transformar las magnitudes informativas (corrientes y/ovoltajes) en flujos, fuerzas electromotrices, fuerzas magnetomotrices, torques, etc., compararlas yentregar una respuesta, ya sea en forma de movimiento (rels mviles) o de seales (rels estticos).

Elemento antagnico: Es aquel cuya funcin permanente es la de oponerse a la accin o respuestadel elemento comparador, tratando de mantener en reposo a los elementos mviles o de dar retardo detiempo a la operacin de stos. Otros objetivos son el evitar operaciones falsas por efectos extraos(Armnicas, transientes, golpes, interferencias, etc.), dando estabilidad a la operacin y, por otraparte, permitiendo la vuelta del sistema mvil al estado de reposo, una vez cumplida su funcin.

Elemento de respuesta: Es el que recoge la seal de salida del comparador y acta de acuerdo conella, provocando acciones en el circuito de control externo a travs del cual opera el rel. En los relsmviles generalmente es un contacto, mientras que en los de estado slido puede ser un tiristor,

transistor, o bien un rel auxiliar instantneo.2.4.5. Clasificacin de los rels segn el principio de funcionamiento del elemento comparador

Existe una gran variedad de elementos comparadores, que pueden resumirse en el Cuadro 2.1.

Cuadro 2.1.- Clasificacin general de rels

Armadura succionadaArmadura atradaArmadura rotatoria

Electromagnticos Tipo balanzaBobina mvil radial

Polarizados Bobina mvil Axial

Armadura mvil

Espira en cortocircuito

DiscoWattmtrico

Mviles Induccin 2 polosCilindro 4 polos

8 polos

Calentamiento directoTrmicos

Calentamiento indirecto

Electrodinamomtricos

De sobrevelocidadMecnicos

Buchholz

Estticos

Con transistores

Con circuitos integrados

Con microprocesadores


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En la actualidad, todava se prefieren los rels de tipo electromecnico, para ciertas aplicaciones. Ellose debe al alto grado de desarrollo que han alcanzando con el tiempo, a su alta confiabilidad y bajo costo, ascomo tambin a los criterios conservadores en lo que respecta a protecciones, en la mayora de las empresaselctricas. Sin embargo, cada vez ms se imponen los rels de estado slido, especialmente los del tipo concircuitos integrados y microprocesadores. La razn del xito de estos ltimos, es que a un costo un pocomayor, entregan muchas mas prestaciones por la versatilidad de la electrnica, incorporando incluso medidasde voltajes, corrientes, energa, como tambin guardando en memoria valores previos a la falla. Los

problemas que presentaban los antiguos rels electrnicos, como su alta sensibilidad a las interferencias y alos armnicos, se han ido resolviendo as como su costo ha ido disminuyendo, de modo que son cada vez msaceptados por los proyectistas y por los usuarios.

2.4.6. Caractersticas generales de los rels

Analizaremos a continuacin, en forma general, los diferentes tipos de rels segn el principio defuncionamiento del elemento comparador.

2.4.6.1. Rels de Comparador mvil

a. Rels electromagnticos

Funcionan bajo el principio de atraccin magntica que ejerce sobre un ncleo mvil de materialferromagntico, el campo producido por la bobina de un electroimn

a.1. Caracterstica de funcionamiento

Para estudiar su funcionamiento consideraremos el rel tipo bisagra (armadura atrada) de la Figura2.56. El ncleo es de material magntico de alta permeabilidad (Fe>0) y existe un pequeo entrehierro(x+d). Por lo tanto, se puede despreciar el flujo de dispersin y considerar HFe =0 en el ncleo (o RFe =0) yde esta forma, la fuerza elctrica queda:

2)dx(

2i

2

A2N0Fe

+

= (2.23)

i

N

B, H

dl

Curva C

Material no magnticode permeabidad 0

xxmx

y espesor d

Resorte

Figura 2.56.- Rel tipo armadura atrada

Es decir, la fuerza elctrica es proporcional al cuadrado de la corriente (si no existe saturacin) yacta en sentido contrario a x (tiende a cerrar la parte mvil). Por lo tanto, la ecuacin de la fuerza netaejercida sobre el elemento mvil es:


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Re FFF = (2.24)

Donde FR es la fuerza de oposicin ejercida por el resorte, la que para pequeos desplazamientos sepuede suponer constante, es decir: FR =K2

Adems Fe se puede considerar independiente de la longitud del entrehierro por lo que se puedeescribir como:

21

e iKF = con2

20

1)dx(2

ANK

+

= (2.25)

Si el rel se alimenta con corriente continua, de valor I se tiene:

21

e IKF = (2.26)

Si se alimenta con una corriente alterna sinusoidal i= 2 I sin wt, donde I es el valor eficazentonces, se aprecia que la fuerza elctrica tiene 2 componentes (Ecuacin 2.27):

F K I sin wt wte = = 12 1

22 2 2( ) cos )K I (12 1

2 (2.27)

K1I2: independiente del tiempo

K1 I2 cos 2 wt: pulsatoria, con doble frecuencia de la alterna aplicada y de valor medio cero. Esta no

contribuye al torque medio pero se manifiesta como una vibracin mecnica que produce ruido. Parasuperar este problema y hacer mas constante la fuerza, se coloca una espira en cortocircuito en elncleo. Por lo tanto, en general se puede escribir:

22

1 KIKF = (2.28)

La ecuacin (2.28), permite graficar la fuerza Fcomo funcin de la corriente I, tal como se muestra en la

Figura 2.57, donde: I K K0 2 1= ; es la corriente

mnima de operacin (pick-up).

En la Figura 2.57 se puede observar que la fuerza espositiva independientemente del sentido de la corriente apartir de I =I0. La zona indicada con lneas de segmentosno tiene sentido fsico.

Razn de reposicin (Razn de Reset a Pickup):Es la razn entre la corriente mxima de desoperacin(dropout) o reposicin (reset) y la corriente mnima deoperacin (pickup). Para visualizar esto en estos rels, sepuede escribir de nuevo la ecuacin (2.24), incluyendo

(2.23), de la siguiente forma, con el fin de hacer notar elefecto que tiene el entrehierro en el valor de la fuerza neta:

F

I0II0I0-

2-K

Figura 2.57.- Curva de operacin de un rel de

tipo electromagntico

22

2

K)dx(

IKF

+= (2.29)

La corriente mnima de operacin I0 se tiene cuando F=0 y x =xmx, es decir de (2.29)

KK)dx(I 2mx0 += (2.30)


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59

La corriente mxima para que el rel se desopere Id se tiene en (2.29); cuando F=0 y x=0

KKdI 2d = (2.31)

Por lo tanto, la razn de reposicin de este rel es:

1d

x

1

dx

d

I

IRR

mxmxo

d

+

=

+

== (2.32)

Como xmx>> d, la razn de reposicin es normalmente


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Unidades de medida polarizadas: Son unidades electromagnticas especiales, en las cuales elsentido del movimiento depende de la polaridad de la magnitud de excitacin. Una parte del flujo necesariopara producir el torque, es proporcionado por un imn permanente de manera similar al de un galvanmetroDArsonval. Por el hecho de contar con un flujo adicional, estas unidades son de bajo consumo (0,1 a 0,5miliwatt) y de alta sensibilidad. Por ello resultan apropiados para trabajar con fuentes de baja potencia comoshunts o rectificadores. La Figura 2.61 muestra diferentes formas constructivas que estos dispositivos puedentomar. Desde luego, estos elementos son apropiados para trabajar con corriente continua o rectificada y su

torque de operacin ser proporcional a la corriente de excitacin. Sin embargo, en algunos dispositivos, seemplean dos magnitudes elctricas, es decir, se tienen bobinas tanto en la parte fija como en la parte mvil(Figura 2.61 d), por lo cual se designan como magnitudes de polarizacin y operacin respectivamente a lacorrientes (tensiones) aplicadas a ellas. En este caso, el torque de operacin es proporcional al producto de lascorrientes en las bobinas, es decir:

polopop IIKT = (2.33)

Que cuando las corrientes de operacin y retencin son iguales, es semejante a la ecuacin (2.25) ypor lo tanto, su caracterstica de funcionamiento corresponde a la mostrada en la Figura 2.57.

BobinaMov.

a)

Mov.

b)

Bobina

Mov.

c)

Mov.

operacin

polarizacin

Bob. de

Bob. de

d)Figura 2.61.- Elementos comparadores polarizados: a) Bobina mvil radial, b) Bobina mvil axial; c)

Armadura mvil y d) con dos magnitudes elctricas

b. Rels de induccin

El funcionamiento de este tipo de rels consiste en hacer actuar dos flujos magnticos variables en eltiempo, desfasados y con distinto punto de aplicacin, sobre un elemento mvil que puede girar alrededor deun eje. Debido a esto, slo son aplicables en Corriente Alterna.


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b.1. Funcionamiento y determinacin del torque

Sea un rel de tipo disco de induccin cuyo elemento mvil es un disco metlico (generalmente dealuminio), tal como el que se muestra en la Figura 2.62. Si en el instante considerado, los flujos 1 y 2aplicados perpendicularmente en los puntos a y b del disco estn aumentando; segn la ley de Lenz, lascorrientes inducidas tendrn los sentidos indicados y en consecuencia, las fuerzas f1 y f2 ejercidas en losmismos puntos, producirn un torque que har girar el disco.

De acuerdo con la Ley de Laplace, la fuerza f que se origina al interactuar un campo magntico dedensidad de flujo b con una corriente i, que circula en un conductor de largo L, en cuadratura con el campoes:

biLf= (2.34)

Por lo tanto, en el disco de la Figura 2.62 se tiene que:

21121211 iKfyiKf == (2.35)

Si los flujos 1 y 2 varan sinusoidalmente en el tiempo y el primero adelanta al segundo en , esdecir, 1=1sin wt y 2=2sin (wt-); donde1y 2 son los respectivos valores mximos de los flujos, las

corrientes i1 e i2 en las trayectorias de resistencia r sern proporcionales a las tensiones inducidas y por lotanto se puede escribir:

tcosr

K

dt

d

r

Ki 1

2121 =

= (2.36)

)tcos(r

K

dt

d

r

Ki 2

2222 =

= (2.37)

i2

1fa b

i12f

12

Figura 2.62.- Disco de Induccin

De esta forma:

tsin)t(cos

r

KKf 21

211 = (2.38)

)t(sintcosr

KKf 21

212 = (2.39)

Y la fuerza resultante f =f2 -f1 se puede escribir como:

= sinr

Kf 21

3 (2.40)


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La expresin (2.40) recibe el nombre de ley de Ferraris y es aplicable a todos los elementoscomparadores tipo disco de induccin, donde K1, K2 y K3 son constantes de proporcionalidad.

Al analizar esta expresin se puede concluir que la fuerza es independiente del tiempo (es constante)y su magnitud es proporcional a la frecuencia y al producto de los flujos mximos e inversamenteproporcional a la resistencia r del disco. Por otra parte, el sentido y magnitud de la fuerza dependen del valordel ngulo de desfase entre los flujos 1 y 2. As por ejemplo, si el flujo 1 adelanta 90 a 2, la fuerza

tender a mover el disco en el sentido de f2.

Como se dijo, esta fuerza da origen a un torque de operacin TOP, que se puede escribir como:

= sinr

dKT 21

3op (2.41)

Como d (distancia entre el centro del disco y el punto de aplicacin de las fuerzas) es una constantese puede escribir:

= sinKT 21op (2.42)

b.2. Formas constructivas

El torque necesario para el movimiento del elemento mvil puede obtenerse de varias maneras, locual hace que los rels adopten diferentes formas constructivas:

Tipo disco de induccin

El elemento mvil es un disco, generalmente de aluminio o cobre, que puede girar en el entrehierrode un circuito magntico. Segn la forma en que se consiguen los flujos 1 y 2 se distinguen los siguientestipos constructivos:

De espiras en cortocircuito

Como se muestra en la Figura 2.63, consisteen una bobina y dos espiras en cortocircuito (polopartido), para conseguir un flujo auxiliar, desfasadodel principal. Cada espira puede ser un anillometlico o bien una bobina que se cortocircuitaexteriormente a travs de otra proteccin (unidaddireccional, por ejemplo). Este tipo permiteentrehierros pequeos, lo que da como resultado,mayores niveles de torque, debido a queprcticamente no hay flujos de prdida. Ejemplo deeste tipo constructivo es el rel de sobrecorriente IACde la General Electric.

Disco

Bobina

Principal

Espira enCortocircuito

Figura 2.63.- Rels tipo disco de induccin conespiras en cortocircuito

Wattmtrico

Su estructura es muy similar a la de un medidor de energa tal como se muestra en la Figura 2.64. Seutilizan en este caso, dos electroimanes que, en forma independiente, producen flujos que actan sobre eldisco. Tiene mayor entrehierro que el anterior, por lo que es menos sensible. Sin embargo, tiene la ventaja deque el polo superior y los inferiores pueden excitarse con magnitudes elctricas diferentes.


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Tipo cilindro (copa) de induccin

El estator de esta unidad es similar al de un motor de induccin pero de polos salientes. En la Figura2.65 se muestra una unidad de 4 polos, pero existen tambin unidades con dos y ocho polos, cada una aptapara una aplicacin en particular. La unidad tiene un ncleo de hierro central sobre el cual se ubica uncilindro de aluminio de paredes delgadas que tiene una forma similar a la de una copa. La carrera de la copaest limitada por topes y por los contactos. Un resorte en espiral proporciona el torque de reposicin. El

torque depende de las dos cantidades de operacin y del ngulo que existe entre ellas, al igual que en los tipodisco de induccin. La inercia de la copa es reducida debido a su pequeo dimetro y el torque es alto por loreducido del entrehierro. De esta forma, se logran altas velocidades de operacin, pudiendo llegar a valorestan bajos como ciclo (10 ms). Se usa en la mayora de los rels rpidos. Otras caractersticas de estoselementos son, su torque constante (no vibratorio), su elemento mvil sin conexiones elctricas, su buenarazn de reposicin y el poco efecto que tienen sobre l los fenmenos transitorios.

Al disponer de varios polos se pueden combinar sus efectos para lograr que el rel responda a laresultante de varias magnitudes elctricas. En general, el flujo que produce la operacin tiene su origen en unenrollado alimentado por corriente, el flujo de retencin puede originarse en un enrollado de voltaje. Adems,se puede agregar un enrollado de polarizacin, el cual puede estar alimentado por voltaje o por corriente. Losrels GCX y GCY de la General Electric, son de este tipo.

Disco

Bobina

Bobina Bobina

Figura 2.64.- Rels tipo disco de induccin

Wattmtrico Figura 2.65.- Rel tipo copa de induccin de 4 polos

c. Rels trmicos

La ms simple de estas unidades opera bajo el principio del par bimetlico que puede tener la formade una cinta recta o de una espiral con un extremo fijo y el otro libre. Cuando la temperatura cambia, elextremo de la cinta o espiral se mueve a causa de la diferencia del coeficiente de dilatacin que tienen los dosmetales. Este movimiento se utiliza para accionar un micro switch o un trinquete que accione un mecanismode disparo de un interruptor. Sin embargo, este tipo es el menos utilizado en protecciones de sistemaselctricos de potencia. Existen otros tipos de rels, en los cuales el elemento comparador puede ser una

resistencia dependiente de la temperatura (RTD), una termocupla, etc.

d. Rels electrodinamomtricos

Son similares en su principio de funcionamiento a los instrumentos electrodinamomtricos, por locual cuentan con un electroimn fijo con un entrehierro donde se dispone una bobina mvil. El torqueproducido en el elemento mvil es proporcional al producto de los flujos de las partes fija y mvil. Estasunidades pueden aplicarse tanto en corriente continua como en corriente alterna, sin embargo, se utilizan muypoco en la prctica debido a su complejidad y elevado costo.


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e. Rels mecnicos

Sus elementos de medida son puramente mecnicos, teniendo por ello, una gran variedad de formasconstructivas. De entre ellos, se pueden citar los siguientes:

Rels de sobrevelocidad

Son de tipo centrfugo y en general se han desarrollado segn el principio del regulador de Watt,usado en mquinas de vapor.

Rels Buchholz y de presin sbita

Se usan en transformadores de poder y funcionan en base al hecho de que al producirse fallasinternas, se generan pequeos arcos elctricos, incluso en fallas incipientes, los que originan gasesprovenientes de la descomposicin del aceite. Si, por otra parte, la cantidad de gases es grande, se producenverdaderas corrientes de aceite en el interior y en consecuencia, sobre presiones. Estos rels operan debido ala presencia de algunas o todas estas manifestaciones de falla interna.

El mas completo es el relBuchholz (Figura 2.66) que se utiliza en

transformadores con estanque conservadorde aceite, ubicndose en el conducto decomunicacin entre el tanque y elconservador. Consta de dos elementos: Unaespecie de flotador que detecta la presenciade gases y opera una alarma y una vlvulaque para grandes presiones de los gases,acta directamente sobre el desenganchedel interruptor. El rel de presin sbita seusa en transformadores sellados. Alproducirse una gran presin de aceite ygases, se cierra una vlvula que comanda un

contacto y con ello el desenganche delinterruptor de poder. Figura 2.66.- Rel Buchholz

2.4.6.2. Rels estticos

Aproximadamente a partir de 1960 y con el progreso de la tecnologa electrnica, los relselectromecnicos empiezan a ser reemplazados por rels de estado slido, diseados utilizando transistores uotros tipos de elementos electrnicos, con caractersticas de operacin similares a ellos (Figura 2.67). Laaparicin de los circuitos integrados en los aos 1970 permiti disear rels estticos con mejorescaractersticas. Con el desarrollo de los microprocesadores, comienzan a aparecer los primeros relsmultifuncin (1980). Consecuente con la tecnologa de los microprocesadores de los aos 1990 y la mejorade los algoritmos matemticos, se desarrollan los llamados rels numricos que son hoy en da muypopulares. (Figura 2.68).

La Figura 2.67 muestra un diagrama de bloques general de un rel de sobrecorriente de estado slido,de tiempo definido. La corriente alterna del secundario del transformador de corriente es convertida en unvoltaje proporcional a travs de un shunt y comparada con un nivel DC fijo. Cuando el voltaje excede el nivelde referencia, se inicia el contador de tiempo. Despus que el retardo ha finalizado, se activa el elemento desalida que puede ser de tipo esttico o electromecnico, a travs del segundo detector de nivel. La corriente deajuste del rel puede ser cambiada por medio de Taps en el transformador de corriente o cambiando el valordel shunt secundario. El ajuste de tiempo puede ser logrado cambiando la resistencia en un circuito RC de


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retardo con un potencimetro calibrado. La operacin instantnea se logra pasando directamente del detectorde nivel 1 al detector de nivel 2.

ConversorCONVERSOR

AC/DC

DE VOLTAJE

DETECTOR

DE

TIEMPO

RETARDO SWITCH

SALIDA

I

DETECTOR

DE NIVEL

1 2

T/C

DEDE NIVEL

Figura 2.67.- Diagrama de bloques general de un rel de estado slido

El diagrama de bloques tpico de un rel numrico se muestra en la Figura 2.68. Los mdulosprincipales son:

Mdulo de entrada, donde las seales anlogas del sistema (corriente, por ejemplo, capturadas porTT/CC), luego de ser procesadas, son enviadas al microprocesador. El mdulo contiene:

Filtros analgicos activos pasabajos que eliminan cualquier ruido inducido. Acondicionadores de seal, que convierten la seal de los TT/CC en una seal DC normalizada Conversor anlogo digital que convierte la seal DC normalizada en un nmero binario que es

entonces enviado directamente al microprocesador.

Microprocesador, responsable del procesamiento de los algoritmos de proteccin, que incluye dosmdulos de memoria:

RAM: (Ramdon Access Memory) que tiene varias funciones que incluyen la retencin de los datosque entran al procesador y el almacenamiento de la informacin necesaria durante la compilacin delalgoritmo de la proteccin.

ROM (Read Only Memory) o PROM (Programable ROM), que son usadas para almacenar programaspermanentes.

Mdulo de salida que acondiciona la seal de respuesta del microprocesador y la enva a loselementos externos que ellos controlan. La salida se hace normalmente a travs de rels auxiliares

electromecnicos o electrnicos rpidos.

Mdulo de comunicacin que contiene puertos serie y/o paralelo para permitir la interconexin delrel de proteccin con el sistema de control y comunicaciones del sistema elctrico.

MODULO

DE

ENTRADA

DISPLAY TECLADO

MICROPROCESADOR

PUERTO DE

COMUNICACION

FUENTE

DE PODER

I A

I B

I C

I N

AISLADOR ENTRADAS

SALIDAS

Figura 2.68.- Diagrama general de un rel numrico


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Entre las caractersticas de los rels numricos, se pueden destacar las siguientes:

Son altamente confiables Pueden realizar autodiagnstico, ya que estn permanentemente chequeando el funcionamiento de la

memoria y realizando pruebas del mdulo de entradas anlogas. En caso de falla, el rel se bloquea obien intenta recuperarse, lo que depende del tipo de falla detectada.

Pueden registrar los eventos producidos cada vez que la proteccin opera, se energiza una entrada u

ocurre cualquier falla del hardware. Su tecnologa actual incluye otras tareas del sistema elctrico tales como: Comunicaciones, medidas,

monitoreo y control Son prcticamente libres de mantencin. Tienen requerimientos muy bajos de potencia desde los transformadores de medida. Son apropiados para sustituir a los rels del tipo electromecnicos, con la ventaja de tener

incorporadas una mayor cantidad de curvas caractersticas. En el caso de los rels de sobrecorriente, la operacin instantnea puede ser bloqueada o temporizada. Se pueden conectar de modo de operar con cualquier combinacin de fallas entre fases y fallas a

tierra. Poseen un alto grado de inmunidad contra interferencias elctricas. Son de diseo compacto, por lo cual ocupan menos espacio.

2.4.7. Identificacin de los Rels de Proteccin

Una forma de identificar los rels, de acuerdo a la funcin que realizan es usando los nmerosdefinidos en la norma ANSI/IEEE C57-2-1979, junto a los cuales una letra indica el equipo que se protege obien complementa la informacin dada por l. Otra manera corresponde a los smbolos dados por la normaIEC. En la Tabla 2.14 se muestran algunos de los rels ms utilizados.

Tabla 2.14.- Nmeros normalizados de algunos dispositivosDescripcin ANSI IEC Descripcin ANSI IEC

Rel de sobrevelocidad 12 > Rel de sobrecorriente a tierra detiempo inverso

51GI >

Rel de baja velocidad 14

Rel de distancia 21 ZU

Rel de sobretemperatura 26 > Rel de sobre voltaje 59 U>Rel de bajo voltaje 27 U

Rel direccional de sobre potencia 32 -P>

Rel de falla a tierra 64I >

Rel de baja potencia 37 P

Rel de Corriente de secuencianegativa 46 I2> Rel direccional de sobrecorriente atierra 67N

-I >

Rel de voltaje de secuencianegativa

47 U2> Rel de reconexin automtica 79 O I

Rel trmico de sobrecarga 49 Rel de baja frecuencia 81U f> Rel de sobre frecuencia 81O f>Rel de sobrecorriente de tiempoinverso

51 I > Rel diferencial (de corriente) 87 Id>


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