Apuntes de Protecciones Eléctricas de Baja Tensión

8/20/2019 Apuntes de Protecciones Eléctricas de Baja Tensión

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PROTECCIONES ELÉCTRICAS DE BAJA TENSIÓN

ÁÁr r eeaa ddee EEEETT


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Dirección de Área Electricidad, Electrónicay Telecomunicaciones

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ÍNDICE

CAPÍTULO IANORMALIDADES EN LAS REDES ELÉCTRICAS .......................................... 6

1.1.0 Características Operativas de las Redes Eléctricas ........................... 71.1.1 Estado Normal de Operación ............................................................. 71.1.2 Estado Anormal de Operación ........................................................... 91.2.0 Perturbaciones en las Redes Eléctricas ............................................. 101.2.1 Sobre la Amplitud de la Señal ............................................................ 101.2.1.1 Fluctuaciones de Voltaje .................................................................... 111.2.1.2 Interrupciones de Voltaje .................................................................... 121.2.1.3 Impulso de Voltaje .............................................................................. 131.2.1.4 Transitorio de Corriente ...................................................................... 151.2.2 Sobre la Onda Senoidal ..................................................................... 16

1.2.2.1 Ruido .................................................................................................. 161.2.2.2 Parpadeo ............................................................................................ 171.2.2.3 Armónicos ........................................................................................... 181.3.0 Fallas en las Redes Eléctricas ............................................................ 201.3.1 Sobrecargas ....................................................................................... 201.3.2 Cortocircuitos ...................................................................................... 211.3.3 Asimetrías ........................................................................................... 221.3.4 Falta de Aislación ............................................................................... 23

CAPÍTULO IICÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS EN REDES DE BAJA TENSIÓN .............. 24

2.1.0 El Cortocircuito ................................................................................... 252.2.0 Amplitud de la Corriente de Cortocircuito ........................................... 262.2.1 Momento de Ocurrencia ..................................................................... 272.2.2 Duración ............................................................................................. 282.2.3 Ubicación ............................................................................................ 292.2.4 Topología ............................................................................................ 302.3.0 Componentes del Cortocircuito .......................................................... 312.4.0 Cálculo de la Amplitud del Cortocircuito ............................................. 382.4.1 Simétrica ............................................................................................. 382.4.2 Asimétrica ........................................................................................... 40

CAPÍTULO IIIPROTECCIÓN DE LAS INSTALACIONES ........................................................ 42

3.1.0 Exigencias para la Protección de las Instalaciones ............................ 433.1.1 Para Instalaciones de Alumbrado ....................................................... 433.1.2 Para Instalaciones de Fuerza ............................................................. 45


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3.1.3 Para Instalaciones de Computación ................................................... 463.2.0 Interruptores Automáticos .................................................................. 463.2.1 Protecciones Modulares ..................................................................... 473.2.1.1 Características de Operación ............................................................. 48

3.2.1.2 Capacidad de Ruptura ........................................................................ 513.2.2 Protecciones Moldeadas .................................................................... 523.2.2.1 Clasificación ....................................................................................... 533.3.0 Interruptores Limitadores .................................................................... 573.4.0 Condiciones de Utilización .................................................................. 603.4.1 Selectividad de Operación .................................................................. 603.4.2 Coordinación de la Protección ............................................................ 623.5.0 Modificación de los Parámetros ......................................................... 633.5.1 En Función de la Temperatura ........................................................... 633.5.2 En Función de la Cantidad de Aparatos Yuxtapuestos ...................... 643.5.3 En Función de la Frecuencia .............................................................. 64

3.5.4 En Función de la Altura ...................................................................... 66

CAPÍTULO IVPROTECCIÓN DE LOS MOTORES .................................................................. 67

4.1.0 Fallas en los Motores Eléctricos ......................................................... 684.1.1 Sobrecargas ....................................................................................... 694.1.2 Ausencia de Fase ............................................................................... 714.1.3 Cortocircuitos ...................................................................................... 724.2.0 Dispositivos de Protección Térmica .................................................... 744.2.1 Relés Bimetálicos ............................................................................... 74

4.2.2 Sondas Térmicas ................................................................................ 794.2.3 Relés Electrónicos .............................................................................. 814.3.0 Cortacircuitos Fusibles ....................................................................... 854.4.0 Interruptor Automático de Motor ......................................................... 95

CAPÍTULO VPROTECCIÓN DE LAS PERSONAS ................................................................. 98

5.1.0 Orígenes del Riesgo para las Personas ............................................. 995.1.1 Contacto Directo ................................................................................. 99

5.1.2 Contacto Indirecto .............................................................................. 1025.2.0 Parámetros que Inciden en un Accidente Eléctrico ............................ 1035.2.1 Corriente que Circula por el Cuerpo y Tiempo de Exposición ............ 1045.2.2 Tensión Aplicada y Resistencia del Cuerpo ....................................... 1055.3.0 Medidas de Protección Contra los Contactos Eléctricos .................... 1075.3.1 Contra los Contactos Directos ............................................................ 1075.3.2 Contra los Contactos Indirectos ......................................................... 1085.3.2.1 Medidas de Protección Clase A ......................................................... 109


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5.3.2.1.1 Empleo de Transformadores de Aislación .......................................... 1095.3.2.1.2 Empleo de Tensiones Extrabajas ....................................................... 1125.3.2.1.3 Empleo de Doble Aislación ................................................................. 1135.3.2.1.4 Empleo de Conexiones Equipotenciales ............................................ 114

5.3.2.2 Medidas de Protección Clase B ......................................................... 1145.3.2.2.1 En Instalaciones Puestas a Tierra ...................................................... 1145.3.2.2.2 En Instalaciones Puestas al Neutro .................................................... 1215.4.0 Protectores Diferenciales ................................................................... 1245.4.1 Principio de Funcionamiento .............................................................. 1245.4.2 Tipos de Diferenciales ........................................................................ 1265.4.2.1 Interruptor Diferencial ......................................................................... 1265.4.2.2 Disyuntor Diferencial .......................................................................... 1275.4.2.3 Block Diferencial ................................................................................. 1285.4.2.4 Relé Diferencial .................................................................................. 1285.4.3 Clases de Diferenciales ...................................................................... 129

5.4.3.1 Diferencial Clase AC .......................................................................... 1295.4.3.2 Diferencial Clase A ............................................................................. 1325.4.4 Corriente de Ruptura Diferencial ........................................................ 1325.4.5 Selectividad Diferencial ...................................................................... 1335.4.6 El Diferencial en los Circuitos de Computación .................................. 1345.4.6.1 Los Diferenciales con Alto Poder de Inmunización ............................. 137

Bibliografía ........................................................................................................ 141


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CAPÍTULO I

ANORMALIDADES EN LAS REDES ELÉCTRICAS


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1.1.0 Características Operativas de las Redes Eléctricas

Durante su funcionamiento, todo sistema eléctrico puede presentar dos estados

operativos, los que dependiendo de su orientación, pueden causar daños o

anomalías en el ciclo de transmisión de la energía eléctrica al interior de las

instalaciones. Dependiendo de la magnitud y tipo de variación de la señal de

alimentación, los dispositivos de protección deberán ser capaces de discriminar si

esta es perjudicial o no para el sistema.

1.1.1 Estado Normal de Operación

El estado de funcionamiento de una sistema es normal, cuando las variables

eléctricas se encuentran dentro de los márgenes preestablecidos por la

reglamentación eléctrica vigente y, a la vez, por las exigencias dadas por los

fabricantes de los equipos eléctricos asociados a la instalación. Los parámetros que

identifican fundamentalmente si el sistema opera en forma normal son la tensión y la

frecuencia.

En general, un sistema eléctrico desde la óptica de la fuente de suministro se

considera operando en forma normal, siempre y cuando las variaciones u holguras

de la tensión nominal en el punto de conexión de ella con la carga o instalación

interior, sean las siguientes:

a) En Baja Tensión (BT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro, el

valor estadístico de la tensión debe estar dentro del rango de ± 7,5% durante el

95% del tiempo.

b) En Media Tensión (MT): Excluyendo períodos con interrupciones de suministro,

el valor estadístico de la tensión debe estar dentro del rango ± 6,0% durante el

95% del tiempo.


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Como solución a las operaciones anormales de un sistema, se podría pensar en

incorporar características tales en sus componentes e instalaciones asociadas, que

eliminaran totalmente estas condiciones; esta solución, por principio, es imposible de

practicar y aproximarse demasiado a ella resultaría en extremo costoso e

injustificada, pues sus costos incidirían apreciablemente en el valor de las

instalaciones, en cambio, la solución que en la practica se desarrolla, es tratar de

disminuir al mínimo el efecto causado por estas condiciones anormales de operación,

lo que constituye en forma permanente el análisis de alternativas de solución para

cada caso singular que se presenta.

Las anormalidades deben poder ser detectadas y discriminadas por las protecciones,ya que al ocurrir un defecto en un componente del sistema significa, por lo general,

una anormalidad para el resto. Al aislar el equipo fallado, se elimina simultáneamente

la anormalidad, con lo cual el servicio se normaliza.

1.2.0 Perturbaciones en las Redes Eléctricas

Las perturbaciones son anormalidades que no constituyen riesgo para lasinstalaciones, pero que pueden dañar a ciertos equipos si su amplitud o duración

exceden de ciertos valores. Estas pueden ser de características transitorias o de

características permanentes, aun que la clasificación dada a este fenómeno obedece

fundamentalmente a la forma en como es afectada la señal que transporta la red.

1.2.1 Sobre la Amplitud de la Señal

En condición normal de operación, las redes sufren perturbaciones debidas a las

variaciones de carga, pero también y sobre todo, a los fenómenos aleatorios cuyo

origen puede ser accidental o bien particular, del funcionamiento propio del equipo

asociado a la red.


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1.2.1.1 Fluctuaciones de Voltaje

Son modificaciones en la amplitud de la señal de la alimentación, en términos de

aumento o disminución, respecto del valor nominal de la tensión de la red de

suministro. Se caracterizan fundamentalmente por su tiempo de existencia,

clasificándolas en las de corta o larga duración.

( )+dt

dv ( )−

dt

dv

∆v +

(V)

(t)

∆v -

t t

Figura 1.1 – Fluctuaciones de voltaje

Las fluctuaciones de corta duración pueden ser instantáneas, momentáneas o

temporales. Las primeras, tienen un tiempo “t” de desarrollo entre 0,01 y 0,6

segundos, con amplitudes comprendidas para el caso del aumento (∆v +), entre

107,5% y 180% de la tensión nominal, y para el caso de la disminución (∆v -), entre

un 10% y 92,5% respecto al valor del voltaje. En las segundas, el tiempo “t” de

desarrollo esta comprendido entre 0,6 y 3 segundos, con amplitudes para el caso de

aumento (∆v +), entre 107,5% y 140%, y para el caso de disminución (∆v -), entre un

10% y 92,5% respecto al valor nominal de la tensión. Finalmente las terceras, tienen

un tiempo “t” de desarrollo entre 3 segundos y 1 minuto, con amplitudescomprendidas para el caso del aumento (∆v +), entre 107,5% y 120% de la tensión

nominal, y para el caso de la disminución (∆v -), entre un 10% y 92,5% respecto al

valor del voltaje.


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Las fluctuaciones de larga duración pueden ser diferenciadas como tipo caídas o

subidas de voltaje. Las primeras tienen una duración “t” mayor a 1 minuto y con

magnitud (∆v -), entre un 80% y 92,5% de la tensión nominal. Las segundas tienen

una duración típica “t” superior a 1 minuto y de magnitud comprendida (∆v +), entre

107,5% y 120%.

1.2.1.2 Interrupciones de Voltaje

Se consideran como interrupciones de voltaje, a las disminuciones de tensión de

magnitud típica bajo el 10% hasta incluso el 0% del valor nominal.

Figura 1.2 – Interrupciones de voltaje

∆v =


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1.2.1.3 Impulso de Voltaje

Es una perturbación de tensión esporádica y de valor elevado que tienen lugar entre

los conductores activos de alimentación. Descartando los impulso accidentales, estos

se deben sobre todo, a maniobras en la red de distribución de tensión media y a las

descargas atmosféricas.

Los impulsos productos de maniobras en la

red de media tensión, tienen origen

principalmente en la conexión de bancos de

condensadores sin la debida planificación

en términos del momento adecuado de

mínimo riesgo. Al conectarlos, la tensión

puede alcanzar un valor promedio de dos

veces la tensión nominal del sistema.

Otra causa que origina impulsos debidos a

maniobras, es la desconexión de algún

transformador con carga conectada a la red de

media tensión. En esta situación, la tensión

puede alcanzar un valor máximo aproximado de

tres veces el valor nominal de la red, cifra que

depende fundamentalmente de la corriente

despejada por el dispositivo de protección por el

lado primario (MT), de la máquina.

Las descargas atmosféricas sobre las redes de alimentación, constituyen otro motivo

de la producción de impulsos eléctricos. Es evidente que este fenómeno de la

naturaleza es esporádico, y su probabilidad de ocurrencia depende del nivel

ceráunico de la región en donde se esté trabajando.

Figura 1.3 – Impulso de tensión

Figura 1.4 – Impulso de tensión


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La actividad o nivel ceráunico se define como el número de días del año en que se

presenta una descarga atmosférica en una

región determinada. Para el caso de Chile, se

considera en general un valor igual a 5, es

decir de baja exposición. Para tener una idea

la figura 1.5 indica el número y el valor de las

sobretensiones que se pueden alcanzar a lo

largo de un año según el índice de ocurrencia

del fenómeno. Se trata de valores estadísticos

y se está siempre a merced de una descarga

directa de rayo de valor muy superior.

Las sobretensiones debidas a los impulsos en la red de media tensión, pueden

transmitirse directamente a la red de baja. En un transformador MT/BT, en vacío o

poco cargado, las sobretensiones de rayo o de maniobra se transmiten al secundario

en función de la relación de transformación, afectada por un coeficiente de

corrección. Este coeficiente es en general inferior a 1,3 para la onda de impulso de

tensión recurrente de 1,2/50 (µseg), que simula el tipo de onda originada por un rayo

(figura 1.6-a), mientras que para las sobretensiones de maniobra según la onda larga

amortiguada de 0,25/2,5 (mseg), que simula el tipo de onda originada por una

maniobra (figura 1.6-b), el factor casi nunca sobrepasa 1,8.

Figura 1.6 – Formas de ondas de impulso de tensión normalizadas según IEC 60060

(a) onda de impulso de tensión por rayo (b) onda de impulso de tensión por maniobra

Figura 1.5 – Estadística de sobretensiones


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El valor máximo del impulso transferido al secundario de un transformador MT/BT en

conexión ∆Y1 sólidamente aterrizado, debido a una maniobra o descarga atmosférica

en el primario, se determina por la siguiente expresión:

FCIUMT

UBTIMTITBT ××=

Donde:

ITBT : Impulso transferido al lado de baja tensión (kV)

IMT : Impulso en lado de media tensión (kV)

UBT : Tensión de línea lado de baja tensión (kV)

UMT : Tensión de línea lado de media tensión (kV)FCI : Factor de corrección para impulso

1.2.1.4 Transitorio de Corriente

Esta perturbación, es un impulso de corriente debido al arranque o conexión de

cargas fundamentalmente de características inductivas.

Figura 1.7 – Transitorio de corriente

∆i

(i)

(t)

momento deencendido

corriente máximanominal

corriente máximatransitoria


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Esta perturbación se presenta principalmente en motores, lámparas de descarga y

equipos computacionales y sus efectos se pueden reflejar principalmente en la

pérdida de la continuidad del servicio por el disparo de un dispositivo de protección

mal seleccionado.

El valor del transitorio de encendido y su duración dependen principalmente del tipo

de carga que sé este analizando, por ejemplo, un computador tiene un valor

promedio de 6 veces la intensidad nominal durante un tiempo menor a 10 milésimas

de segundos mientras que un motor puede tener una cifra cercana a las 10 veces la

nominal con tiempos de arranque similares. En este último caso también se debe

considerar la corriente de aceleración.

1.2.2 Sobre la Onda Senoidal

Las tensiones observadas en las redes no son nunca perfectamente sinusoidales,

debido a la presencia en ellas de equipos que por sus características de operación o

calidad de fabricación, inyectan señales que distorsionan a la fundamental. Por

ejemplo algunos de estos equipos son los generadores eléctricos de baja calidad,transformadores operando en su límite de carga, equipos con características no

lineales y actualmente la presencia de corrientes portadoras.

1.2.2.1 Ruido

El ruido eléctrico es una alteración permanente de la señal de alimentación, debajo

valor, que se presentan en los conductores de alimentación del sistema, pero quedependiendo del esquema de neutro de la red (especialmente en el esquema TN),

pueden inducirse en el conductor de tierra afectado a las comunicaciones entre

computadores cuando estos no están conectados a una puesta a tierra de protección

independiente.


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Los ruidos eléctricos suelen producirse, por ejemplo, por el funcionamiento de

convertidores y rectificadores alternos y en aquellos equipos que producen arcos

eléctricos, tales como colectores de escobillas.

v

Figura 1.8 – Ruido eléctrico

1.2.2.2 Parpadeo

Cuando una variación rápida de la tensión se produce de forma repetitiva, ocasiona

en las lámparas de iluminación un parpadeo visible y molesto, por extensión, se

llama también parpadeo a dicha perturbación de tensión que la origina. Este

parpadeo o también llamado voltaje flicker, se refiere a cambios en la envolvente de

la frecuencia de alimentación, la que para nuestro caso es de 50 Hz. El voltaje de la

envolvente es llamado nivel instantáneo de flicker (LFI).

Figura 1.9 – Parpadeo de voltaje

(v)

(t)


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En Chile, el índice de severidad de parpadeo o "flicker" durante un período de

registro de mediciones de una semana cualquiera del año, o de siete días

consecutivos, no debe exceder en el sistema eléctrico, el valor de 1 para tensiones

iguales o inferiores a 110 (kV), ni exceder 0,8 para tensiones superiores a 110 (kV).

Si este índice es evaluado estadísticamente en intervalos consecutivos de dos horas

durante un período de registro de mediciones de una semana cualquiera del año o

de siete días consecutivos, no debe exceder de 0,8 para tensiones iguales o

inferiores a 110 (kV) ni exceder 0,6 para tensiones superiores a 110 (kV).

1.2.2.3 Armónicos

Un armónico determinado, es una perturbación superpuesta a la onda fundamental

que también es una onda sinusoidal, pero de distinta frecuencia de pulsación y con

valores de amplitud menores a esta. El efecto combinado es una onda periódica no

sinusoidal denominada distorsión armónica.

t (seg)

Figura 1.10 – Forma de onda no sinusoidal distorsionada por un 2° armónico

0

señal fundamentalf=50 Hz

2° armónicof=100 Hz

Existen dos tipos de fuentes que dan origen a los armónicos: las de tensión y las de

corriente. Las primeras se encuentran en el área de responsabilidad de la Compañía

Eléctrica, debido principalmente a la saturación del núcleo de transformadores de

distribución. En cambio, las fuentes de corriente las encontramos en las redes de los

clientes debido a las cargas con características no lineales que estos poseen.


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Una carga no lineal absorbe corriente en impulsos bruscos en lugar de hacerlo con

suavidad como en el caso de las cargas lineales. Dichos impulsos crean una onda de

corriente distorsionada que contiene armónicos.

señal de alimentaciónsinusoidal (tensión)

t (seg)

Figura 1.11 – Forma de onda de corriente

0

señal de la carga sinusoidal(corriente)

señal de alimentaciónsinusoidal (tensión)

t (seg)0

señal de la carga nosinusoidal (corriente)

carga lineal carga no lineal

Cada armónico tiene un nombre característico, una frecuencia que lo señal y una

secuencia de giro. En los sistemas de distribución de corriente alterna, las formas de

onda de la parte positiva y negativa de la corriente y la tensión, son casi iguales, porlo tanto, no hay ninguna componente de corriente continua. En estas condiciones, no

se generan armónicos de número par. Los restantes armónicos se producen en tres

secuencias de giro según el efecto de la rotación de su fasor de corriente. Cuanto

mayor es la frecuencia, más rápida es la rotación del campo magnético.

Armónicos característicos de los sistemas de distribución

Nombre 1° 3° 5° 7° 9° 11° 13° 15° 17°Frecuencia 50 150 250 350 450 550 650 750 850

Secuencia + 0 - + 0 - + 0 -


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La rotación de los armónicos de secuencia positiva, incluida la frecuencia

fundamental, es en el sentido de las agujas del reloj. Mientras que el campo

magnético producido por los armónicos de secuencia negativa, giran en el sentido

opuesto de las manecillas del reloj. Los armónicos de secuencia cero denominados

“triplens”, en lugar de girar, se suman linealmente en el conductor neutro de los

alimentadores y subalimentadores trifásicos de cuatro hilos.

Va

Figura 1.12 – Secuencias de giro de fasores

Vb

Vc

120° 120°

120°

(+)

Vc

Vb

Va

120°

120° 120°

(-)

Va Vb Vc

(0)

1.3.0 Fallas en las Redes Eléctricas

A diferencia de las perturbaciones, las fallas son anormalidades de los sistemas

eléctricos que impiden continuar la operación de uno o más componentes de lasinstalaciones, y requieren la rápida acción de los esquemas de protecciones para no

dañar a los equipos. Entre las fallas, las más comunes son las sobrecargas, los

cortocircuitos, las asimetrías y los defectos de aislación.

1.3.1 Sobrecargas

La falla de sobrecarga esta directamente relacionada con un aumento de la potenciaque se le exige a un punto, por sobre el máximo valor que este, está capacitado para

entregar. Se manifiesta en la instalación mediante un aumento de la corriente, por lo

que podríamos decir que una línea o equipo se encuentra sobrecargado, cuando su

corriente es superior a la nominal debido a una sobre exigencia de potencia.


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Los factores que producen las sobrecargas son múltiples, pero fundamentalmente

esta falla obedece a un mal estudio de necesidad de potencia para una instalación

en particular, o la modificación (en términos de aumento), de la capacidad conectada

al sistema sin verificar si este estaba capacitada para alimentar los nuevos

consumos.

1.3.2 Cortocircuitos

Un cortocircuito es la desaparición intempestiva de la aislación relativa de dos

conductores de tensión diferente, alimentados de la misma fuente, sin la interposición

de una impedancia conveniente.

Las causas que originan los cortocircuitos son múltiples. En la distribución en baja

tensión, se deben con mayor frecuencia al deterioro mecánico de la aislación. En

líneas subterráneas se deben principalmente a la ruptura de la aislación causada por

movimientos del terreno, golpes de picota, infiltración de humedad, etc. En cuanto a

su duración, se pueden distinguir cortocircuitos permanentes y transitorios. A estos

últimos, cuando se repiten en cortos intervalos, se les llama intermitentes; es el caso,por ejemplo, de los originados por el balanceo de los conductores.

Dependiendo de la capacidad de generación, distancia e impedancia entre la fuente

y el tipo de cortocircuito, las sobrecorrientes pueden alcanzar una magnitud varias

veces superior a la corriente nominal de los equipos. Las consecuencias de estas

sobrecorrientes son múltiples, tales como: calor del arco o calor producido por el

contacto en el cortocircuito, que pueden fundir los conductores, carbonizar los

aislantes u originar un incendio. Al respecto no conviene despreciar el calentamiento

producido por la corriente de cortocircuito, que concentra su efecto en los puntos

más débiles: uniones de conductores, contactos de disyuntores, etc.


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Tampoco de debe despreciar los efectos electrodinámicos de las corrientes de

cortocircuito. En estas condiciones los enrollados de los transformadores

prácticamente son sacudidos y pueden producir deformaciones en sus bobinas.

Otros efectos originados por esto mismo son: deformaciones de barras y

conductores, que deben ser consideradas en los proyectos.

1.3.3 Asimetrías

La forma usual de la red es generalmente el sistema de corriente trifásica con 380

(V), el cual está constituido de tres tensiones alternas, desplazadas temporalmente

por 120° eléctricos.

Las tensiones son representadas en un diagrama fasorial y dan por resultado un

triángulo equilátero. Esta manera de representación, es generalmente la usual, en la

electrotecnia para visualizar las sinusoides de manera fácil y clara.

Figura 1.13 – Representación fasorial de un sistema de tensiones trifásicas

U L3 – L1

120° 120°

120°

U L1 – L2 U L2 – L3

Bajo operación normal, todas las amplitudes de las tensiones en el sistema de

corriente trifásica son iguales y se muestran en forma de un ángulo de separación de120 grados. En el caso de una discrepancia de esta forma se habla de una asimetría.

Normalmente un sistema trifásico puede presentar la condición de asimetría cuando

un motor trifásico en delta pierde una de sus fases de alimentación, o bien, en un

sistema trifásico en estrella, se corta la unión entre el punto estrella del transformador

de alimentación y la tierra (tierra de servicio), en una red desequilibrada.


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CAPÍTULO II

CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS EN REDES DE BAJA TENSIÓN


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2.1.0 El Cortocircuito

Un cortocircuito es la elevación instantánea de la corriente nominal del sistema

debido a la pérdida o disminución brusca de la impedancia característica de la red.

Sus causas son múltiples, siendo la más común la unión de conductores de potencial

diferente.

E∼

Figura 2.1 – Circuito equivalente de una instalación eléctrica

fuente dealimentación

impedancia de la redde alimentación

Z

I

impedancia de lascargas

ZC

a

b

Bajo condiciones normales de funcionamiento, la corriente “I” (figura 2.1), estaría

limitada por la suma de la impedancia de la red de alimentación y de la carga.

ZCZ

E

I +=

Si unimos los puntos “a” y “b” mostrados en la figura 2.1, provocando la falla de

cortocircuito, la longitud del sistema equivalente se reduce fuertemente, y por lo

tanto también su impedancia.

E∼

Figura 2.2 – Circuito equivalente de una instalación en cortocircuito

fuente dealimentación

I

impedancia de lascargas

ZC

a

b

impedancia de la redde alimentación

Z


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Según se muestra en la figura 2.2, bajo condición de falla de cortocircuito, la

corriente quedaría solamente limitada por la impedancia de la red de alimentación, la

que por cierto, es bastante baja.

Z

EI =

En función de la potencia del sistema, la distancia existente respecto al punto de falla

y las características particulares del cortocircuito, la amplitud de la sobrecorriente

puede alcanzar una magnitud varias veces superior a la corriente nominal de los

equipos.

ZCZ

EI

+=

Z

EI =

Figura 2.3 – Corriente de cortocircuito

(i)

(t)

corriente en estadonormal

(figura 2.1)

corriente en estado decortocircuito(figura 2.2)

Las consecuencias de los cortocircuitos son múltiples, van desde efectos térmicos

que dañan los aislantes, hasta efectos electrodinámicos que provocan deformaciones

y corte de los elementos conductores involucrados en la falla.

2.2.0 Amplitud de la Corriente de Cortocircuito

Poder determinar la amplitud con la que una falla de cortocircuito se presentará en

una instalación, es de suma importancia para la selección de los elementos

pertenecientes a una red de suministro. La amplitud de la corriente de cortocircuito

depende fundamentalmente del momento en que la falla ocurra, de la duración, de la

ubicación y la topología.


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Como es imposible saber con certeza el momento en que la falla de cortocircuito se

presentará en una instalación interior, los sistemas involucrados en el camino del

cortocircuito se deberán dimensionar de modo que sean capaces de soportar el valor

asimétrico (peor condición).

Tal como se menciono anteriormente, los métodos de cálculo entregan valores

simétricos, pero dentro del dimensionamiento del sistema deberemos trabajar con el

valor asimétrico. Para convertir una corriente de cortocircuito simétrica en asimétrica,

vasta con multiplicar la primera con un factor de asimetría, el que está directamente

relacionado con la componente continua (Idc), que aparece en la Figura 2.5.

2.2.2 Duración

En función de la duración de la falla (tiempo de existencia sin despeje por los

órganos de protección), la corriente de cortocircuito puede presentar tres valores

característicos, subtransiente, transiente y permanente.

Figura 2.6 – Valores característicos de la corriente de cortocircuito


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El estado subtransiente tiene una duración de no más de 0,1 segundos, el transiente

entre 0,1 y 0,3 segundos y el estacionario se alcanza luego de transcurridos más de

0,3 segundos desde el inicio de la falla.

Tal como lo señala la Figura 2.6, una corriente de cortocircuito asimétrica, puede

convertirse en simétrica, solo cuando la falla alcanza su estado permanente.

Lamentablemente si el defecto permanece el tiempo necesario para alcanzar el

estado simétrico, la instalación eléctrica se destruiría en prácticamente su totalidad.

Resulta claro pensar que la falla de cortocircuito es extremadamente destructiva,

luego se debe eliminar en el menor tiempo posible.

En general, los dispositivos de protección contra corrientes de cortocircuito, están

diseñados para abrir el circuito en un tiempo no superior a 10 ms (0,01 segundos),

luego dentro del estudio de cortocircuito para determinar la capacidad de ruptura de

los dispositivos, se deberá tomar el estado subtransiente de la corriente de defecto.

2.2.3 Ubicación

La amplitud de la corriente de cortocircuito desde el punto de vista del cálculo, esta

dada en función de la ley de ohm, es decir, que la corriente es inversamente

proporcional a la impedancia.

La impedancia de cortocircuito mayoritariamente esta dada por la impedancia de los

conductores que se verían involucrados en el camino de circulación de la corriente,

luego entre más cerca del transformador de alimentación se produzca el defecto, la

impedancia de cortocircuito tendrá un valor menor que si la falla ocurriese en el punto

más alejado de la fuente. En otras palabras, si la falla ocurre en las proximidades del

transformador, la corriente de cortocircuito tendrá una amplitud mayor que si esta

ocurriese en el punto más alejado.


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El cortocircuito trifásico, considera la unión directa y simultánea de las tres fases

de alimentación del sistema. Solo limitan la amplitud de la corriente de cortocircuito la

impedancia equivalente de la fuente y de los conductores, independiente del sistema

o esquema de neutro que posea la instalación.

El cortocircuito bifásico, considera la unión directa y simultánea de las dos fases

de alimentación del sistema. Su comportamiento es similar a la falla trifásica pero

considera el doble de la impedancia.

El cortocircuito monofásico a neutro, considera la unión directa y simultánea de

una de las fases de alimentación con el neutro del sistema.

El cortocircuito monofásico a conductor de protección, considera la unión

directa y simultánea de una de las fases de alimentación, con el conductor de

protección o cable de tierra de la instalación.

2.3.0 Componentes del Cortocircuito

Al presentarse un cortocircuito en una instalación interior, la falla queda gobernada

en general por: el sistema eléctrico (representado por un generador equivalente),

unidades generadoras, motores asociados a la red y las líneas participantes.

S∼

G∼

M∼

Figura 2.9 – Elementos que intervienen en el cortocircuito

sistema generadores motores

ICC

líneas líneas líneas

líneas


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Como es sabido, en nuestro medio existen dos grandes tipos de instalaciones

eléctricas interiores, las de alta tensión (conectadas a redes de más de 400 volts), y

las de baja tensión (conectadas a redes de menos de 400 volts).

S∼

G∼

M∼

G∼

M∼

Figura 2.10 – Esquema equivalente del elemento fuente

cliente de alta tensión

red BTT/P

T/D

red AT

cliente de alta tensión

AAT

ABT

AAT : Arranque de alta tensiónDAT : Derivación de alta tensión

ABT : Arranque de baja tensiónT/P : Transformador particularT/D : Transformador de distribución

DAT

Como sistema equivalente, se considera todo lo que exista aguas arriba del

transformador de alimentación, según esto, si analizamos los esquemas de la figura

2.11, desde el generador

equivalente hasta los

trasformadores, podemos darnos

cuenta que tanto el cliente de alta

como el de baja tensión (en este

caso se considera el empalme

conectado directamente al T/D), sonsimilares en términos de las

impedancias que intervienen,

situación que representamos en la

figura 2.11.

S∼

S∼

Figura 2.11 – Impedancias características del sistema

cliente de AT

T/P

impedancia delsistema

ZS AAT

cliente de BT

T/D

DAT

ABT

impedancia deltransformador

ZT

impedancia delsistema

ZS

impedancia deltransformador

ZT


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Al conjunto “sistema equivalente – transformador” mostrado en la figura 2.11, le

llamaremos fuente primaria, la que para efecto de análisis posteriores debemos

representar en la forma R+jX, tal como lo muestra la figura 2.12.

S∼

S∼

Figura 2.12 – Circuito equivalente fuente primaria

cliente de AT

T/P

resistencia delsistema

RS

AAT

cliente BT

DAT

ABT

reactancia delsistema

XS

resistencia deltransformador

RT

reactancia deltransformador

XT

T/D

resistencia delsistema

RS

reactancia delsistema

XS

resistencia deltransformador

RT

reactancia deltransformador

XT

La resistencia y reactancia del sistema referidas al lado de baja tensión, se

determinan por medio de las siguientes expresiones:

Scc

E995,0XS

Scc

E0995,0RS

2

2

×=

×=

Donde:

RS : Resistencia del sistema (Ω)

XS : Reactancia del sistema (Ω)

E : Tensión de línea en vacío por el lado de baja tensión (V)

Scc : Potencia de cortocircuito del sistema (VA)


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La resistencia y la reactancia del transformador, ya sea este particular o de

distribución, se determinan por medio de la siguientes expresiones:

2

22

2

RTST

E

100

%ZXT

STEWRT

−

×=

×=

Donde:

RT : Resistencia del transformador (Ω)

XT : Reactancia del transformador (Ω)


ST : Potencia del transformador (VA)

W : Pérdida en el cobre del transformador (W)

Z% : Impedancia porcentual de cortocircuito (%)

En la siguiente tabla se entregan con un margen de error aceptable, valores de “W” y

“Z%” para transformadores trifásicos clase 15 y 25 kV.

Pérdida en el cobre e impedancia porcentual de trasformadores trifásicos

Potencia(kVA)

Pérdida en el cobre(W)

Impedancia porcentual(%)

100 1680 4

150 2390 4

200 3400 4

250 4000 4

300 4200 4400 5000 4

500 5950 5

750 9500 5,75

1000 10800 5,75

1250 13500 5,75


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Según lo indicado en la figura 2.9, el

otro elemento que aporta al cortocircuito

es la existencia de unidades

generadoras, las que evidentemente

poseen una impedancia característica.

También debe considerarse que el

generador se conecta a la instalación

por medio de un conductor llamado

normalmente alimentador deemergencia, el que contribuye a limitar

la corriente de cortocircuito.

Si asumimos que la instalación está siendo alimentada por una unidad generadora, y

bajo esta condición se presenta un cortocircuito, la máquina tiene un comportamiento

prácticamente inductivo durante los primeros ciclos de la falla, por lo que la

impedancia del generador es aproximadamente igual a la reactancia y por lo tanto su

resistencia es igual a cero.

100

Xd

SG

EXG

0RGXGZG2

×=

≈⇒≈

Donde:

ZG : Impedancia del generador (Ω)

XG : Reactancia del generador (Ω)

RG : Resistencia del generador (Ω)

E : Tensión de línea en vacío de la máquina (V)

SG : Potencia del generador (VA)

Xd : Reactancia transitoria del generador (%)

G∼ G∼

Figura 2.13 – Impedancias características fuente secundaria

cliente de AT y BT

impedancia delgenerador

ZG

impedancia delalimentador de

emergenciaZAE

cliente de AT y BT

resistencia delgenerador

RG

reactancia delgenerador

XG

resistencia delalimentador de

emergenciaRAE

reactancia del

alimentador deemergencia

XAE


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Para el caso del alimentador de emergencia, su resistencia y reactancia se

determinan con el uso de las siguientes expresiones:

NCP

LC00012,0XAE

SCNCPLCRAE

×=

××ρ=

Donde:

RAE : Resistencia del alimentador de emergencia (Ω)

XAE : Reactancia del alimentador de emergencia (mΩ)

ρ : Resistividad del material (

Ωxmm2/m)

LC : Longitud del conductor (m)

NCP : Número de conductores paralelos del mismo potencial

SC : Sección del conductor (mm2)

El último elemento que se considera como aporte al cortocircuito según lo indicado

en la figura 2.9, son los motores presentes en la red, a los que consideraremos como

la fuente terciaria. Su impedancia y forma R+jX se muestran en la figura 2.14.

M∼

M∼

Figura 2.14 – Impedancias características fuente terciaria

cliente de AT y BT

impedancia delmotor

ZM

cliente de AT y BT

resistencia delmotorRM

reactancia delmotorXM


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Para efectos de simplificación de los estudios, el método de cálculo considera la

existencia de una máquina trifásica equivalente del total de los motores presentes en

la red (sean estos monofásicos o trifásicos), que esta se conecta directamente a la

barra general, y también, que posee un comportamiento prácticamente igual a los

generadores al inicio del cortocircuito. Según esto, las expresiones asociadas serían

las siguientes:

∑=

×=

≈⇒≈

n

1i

i

2

SM

E06,0XM

0RMXMZM

Donde:

ZM : Impedancia del motor (Ω)

XM : Reactancia del motor (Ω)

RM : Resistencia del motor (Ω)

E : Tensión de línea del motor (V)

SM : Potencia de los motores presentes (VA)

Para los conductores, llámense estos alimentadores o subalimentadores, su

resistencia y reactancia se determinan con el uso de las siguientes expresiones:

NCP

LC00012,0XC

SCNCP

LCRC

×=

××ρ

=

Donde:

RC : Resistencia del conductor (Ω)

XC : Reactancia del conductor (Ω)

ρ : Resistividad del material (Ωxmm2/m)

LC : Longitud del conductor (m)

NCP : Número de conductores paralelos del mismo potencial

SC : Sección del conductor (mm2)


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2.4.0 Cálculo de la Amplitud del Cortocircuito

Tal como se indicó al inicio de este capítulo, un cortocircuito puede presentar dos

amplitudes diferentes conforme el momento de ocurrencia de la falla, también se

relacionó esta con la duración, el lugar de ocurrencia y la topología de la red. En

general, los cortocircuitos pueden evaluarse en régimen permanente y simétricos,

independiente del lugar de ocurrencia y las condiciones particulares de la red. En

síntesis, el modelo de cálculo recomendado para la determinación de los diferentes

niveles de corriente de cortocircuitos a presentarse en una red de baja tensión, es

calcular la amplitud simétrica de la falla y luego transformarla en su equivalente

asimétrica.

2.4.1 Simétrica

El valor simétrico de la corriente de cortocircuito, se determina mediante el uso de la

ley de Ohm para señales alternas, pero considerando su amplitud o valor máximo, es

decir:

Zcck

E2Iccs

×

×=

Donde:

Iccs : Corriente de cortocircuito simétrica (kA)


k : Factor por topología

Zcc : Impedancia de cortocircuito (mΩ)

El factor por topología “k”, depende si la falla es trifásica, bifásica o monofásica (a

conductor de neutro o de protección. Es decir:

monofásicocaso1k

bifásicocaso2k

trifásicocaso3k

===


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La impedancia de cortocircuito depende del total de las resistencias y las reactancias

que existan desde la fuente hasta el punto de falla considerado. Según esto, su

expresión general es:

2n

1a

a

2n

1a

a XRZcc

+

= ∑∑

==

Donde:

Ra : Resistencia desde la fuente hasta el punto de falla (mΩ)

Xa : Reactancia desde la fuente hasta el punto de falla (mΩ)

Los elementos a considerar para el cálculo de la impedancia de cortocircuito

dependen particularmente del tipo de cortocircuito y el sistema de neutro de la red:

- Para el caso de una falla trifásica, en esquema TT y TNS, se considera la

resistencia y reactancia de la fuente y de la línea de fase.

- Para el caso de una falla trifásica, en esquema TT y TNS, se considera la

resistencia y reactancia de la fuente y de la línea de fase.

- Para el caso de una falla monofásica a neutro, en esquema TT y TNS, se

considera la resistencia y reactancia de la fuente, de la línea de fase y de la línea

de neutro.

- Para el caso de una falla monofásica a conductor de protección, en esquema

TT, se considera la resistencia y reactancia de la fuente, de la línea de fase, de lalínea de neutro y las resistencias de las puestas a tierra (protección y servicio). En

el caso del esquema TNS, se utilizan las variables de la fuente, de la línea de

fase y del conductor de protección.


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2.4.2 Asimétrica

La amplitud asimétrica de la corriente de falla depende del factor de potencia de

cortocircuito que exista en el punto en donde se desea conocer la amplitud del

cortocircuito.

2n

1i

i

2n

1i

i

n

1i

i

cc

XR

R

cos

+

=ϕ

∑∑

∑

==

=

Donde:

cosϕCC : Factor de potencia en el punto de fallaRi : Resistencia desde la fuente hasta el punto de falla (mΩ)

Xi : Reactancia desde la fuente hasta el punto de falla (mΩ)

Conocido el factor de potencia de cortocircuito el paso siguiente es determinar el

factor de asimetría por medio de la siguiente gráfica:

Figura 2.15 – Factor de asimetría


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El factor de asimetría (fa), que se obtiene de la gráfica anterior, se multiplica con la

corriente de cortocircuito simétrica, y se obtiene por lo tanto, su valor asimétrico.

CCSCCA IfaI ×=

Donde:

ICCA : Corriente de cortocircuito asimétrica (kA)

fa : Factor de asimetría

ICCS : Corriente de cortocircuito simétrica (kA)


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CAPÍTULO III

PROTECCIÓN DE LAS INSTALACIONES


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3.1.0 Exigencias para la Protección de las Instalaciones

En general, la exigencia fundamental que se les da a los dispositivos de protección

eléctrica contra las fallas en las instalaciones, es que cuando estas se presenten

sean eliminadas en el menor tiempo posible.

Dependiendo del tipo de instalación eléctrica a proteger, la normativa nacional exige

ciertas condiciones a los dispositivos de protección a utilizar en ellas, las que

revisaremos a continuación.

3.1.1 Para Instalaciones de Alumbrado

De acuerdo a la NCH 4/84, se considerará instalación de alumbrado a toda aquella

en que la energía eléctrica se utilice preferentemente para iluminar el o los recintos

considerados, sin perjuicio que a la vez se le utilice para accionar artefactos

electrodomésticos o máquinas pequeñas similares conectados a través de enchufes.

En general, estas instalaciones deben protegerse contra la sobrecarga y el

cortocircuito con un único dispositivo que agrupe las dos funciones.

Una de las exigencias dadas para este tipo de instalaciones se relaciona con la carga

máxima asociada a los circuitos, los que pueden ser desde 6 hasta 25 (A), pudiendo

utilizarse de mayor capacidad en casos justificados. La cantidad de centros que es

posible instalar en un circuito se determina igualando la suma de las potencias

unitarias (PU), de cada centro conectado a él, con el 90% del valor nominal de la

capacidad del circuito (IN).

N

n

1U

U I9,0P ×=∑=

La expresión anterior debemos trasformarla en una ecuación que permita trabajar

con unidades iguales.


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Si consideramos que en la etapa de proyecto se establecen las potencias de los

circuitos y luego la capacidad nominal de su elemento de protección, la expresión

anterior tendría como variable independiente la potencia y como dependiente la

corriente, es decir:

9,0

P

I

n

1U

U

N

∑==

La potencia unitaria debe representarse en términos de la corriente, la que según la

ley de Ohm para señales alternas es:

FPVP

I×

=

Trabajando las dos expresiones anteriores, podemos decir que la capacidad nominal

del dispositivo de protección de un circuito de alumbrado en general, se determina

por medio del uso de las siguientes ecuaciones:

TRIFÁSICA

L

n

1U

U

N

MONOFÁSICA

F

n

1U

U

NFPV39,0

PI

FPV9,0

PI

×××=

××= ∑∑ ==

Donde:

IN : Capacidad nominal del dispositivo de protección (A)

PU : Potencia unitaria de cada centro conectado (W)

VF : Tensión de fase del sistema (V)

VL : Tensión de línea del sistema (V)

FP : Factor de potencia


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La potencia unitaria de un artefacto de iluminación (incluido sus accesorios),

depende del tipo y características del mismo. En el caso de que esta potencia no se

conozca o no se encuentre definida, la NCH 4/84 indica que se deberá considerar

una potencia por centro de 100 (W), valor similar a utilizar en el caso de los enchufes

de hasta tres salidas.

3.1.2 Para Instalaciones de Fuerza

Se considera instalación de fuerza a toda aquella instalación en que la energía

eléctrica se usa preferentemente para obtener energía mecánica y/o para intervenir

en algún proceso productivo industrial. Estas se deberán proteger frente a la

sobrecarga y al cortocircuito con dispositivos independientes, o combinados, que

respondan a las condiciones particulares.

Para la protección contra la sobrecarga en general, la capacidad nominal o corriente

de ajuste del dispositivo de protección, deberá ser como máximo un 25% más grande

que la corriente del motor, si este tiene un factor de servicio mayor o igual a 1,15, y

un 15% mayor para el caso de motores con factor de servicio inferior a 1,15.

TRIFÁSICAL

MN

MONOFÁSICAF

MN

FPV3

PkI

FPV

PkI

η×××

×=

η××

×=

Donde:

IN : Capacidad nominal del dispositivo de protección (A)

PM : Potencia nominal del motor (W)VF : Tensión de fase del sistema (V)

VL : Tensión de línea del sistema (V)

FP : Factor de potencia

η : Rendimiento del motor

k : 1,25 para fs ≥1,15 y 1,15 para fs


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3.2.1 Protecciones Modulares

Las protecciones modulares o de pequeña envergadura, son las de uso tradicional

en sectores domiciliarios, terciarios y ciertas aplicaciones industriales. Como

característica principal se puede destacar que éstas protecciones son de

características de intervención fijas, es decir, vienen reguladas de fábrica y por lo

tanto, el usuario no puede modificar sus parámetros de trabajo.

Disparador magnético(cortocircuito)

Portaetiqueta

Cámara de Corte

Disparador térmico(sobrecarga)

Contactos internos

Figura 3.2 – Características constructivas protecciones modulares

Contactos internos ( f ijo y móvi l ). Sobre ellos acciona el dispositivo de operación,

así como también los elementos de desconexión automática. Los contactos se

fabrican en plata, debido a que este metal ofrece una elevada seguridad contra su

soldadura, a la vez que garantiza una larga duración de sus maniobras en servicio

normal.

Dis parad or térm ico. Constituido por un bimetal que se dilata debido a latemperatura generada por efecto Joule, al paso de una sobrecorriente. Esta

dilatación produce la apertura del circuito pues opera finalmente sobre el contacto

móvil, separándolo del fijo.


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Dis pa rad or magnétic o. Constituido por una bobina, que al ser circulada por una

corriente excesiva, crea un campo magnético suficiente para desplazar el núcleo

central, el que a su vez opera sobre el mecanismo de desconexión abriendo el

disyuntor. El disparador magnético es del tipo instantáneo para sobreintensidades

elevadas.

Cámara de Cor te. Corresponde al dispositivo enfriador del arco que se genera al

abrir los contactos durante la circulación de la corriente de falla. Tiene cierto número

de placas metálicas ferrosas aisladas unas de otras, que producen el enfriamiento

del arco, que es dividido en una serie de pequeños arcos que se producen entre una

placa y otra, creciendo la tensión de arco en sentido opuesto al voltaje aplicadohaciendo que la cámara apague el arco. De este modo, la corriente de cortocircuito

es drásticamente limitada y cortada en cuanto la tensión de arco alcanza el valor de

la tensión aplicada.

3.2.1.1 Características de Operación

Dos tipos de defecto pueden hacer actuar un disyuntor: la sobrecarga y elcortocircuito.

Sobrecarga. En caso de sobrecarga o de calentamiento, el bimetal se dilatara y

provocara la apertura del disyuntor. El tiempo de reacción del disyuntor es

inversamente proporcional a la corriente que le atraviesa.

En caso de sobrecargas o de calentamientos débiles, el bimetal se calienta

lentamente durante un largo tiempo de reacción, en cambio, para el caso de una

fuerte sobrecarga, el bimetal se calienta rápidamente teniendo una reacción rápida.

Cortoci rcui tos. En caso de un cortocircuito, el dispositivo electromagnético abre el

disyuntor en un tiempo muy corto, del orden de algunas milésimas de segundos.


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En general, el tiempo de apertura de contactos de los interruptores termomagnéticos

tradicionales es como máximo igual al tiempo de duración del primer semiciclo de la

señal alterna fundamental.

La forma en como las protecciones termomagnéticas modulares responden a las

corrientes de sobrecarga y cortocircuito, viene representada por medio de su curva

de respuesta, las que se caracterizan por las siguientes corrientes de referencia:

- Corr iente Nom inal (I N ). Corriente a la cual se refieren todas las especificaciones

de construcción del aparato y que representa el valor unitario en la característica de

funcionamiento.

- Corr iente de No Funcionamiento ( I NF ). Valor máximo de sobreintensidad que no

hace disparar al interruptor dentro del tiempo convencional.

- Corr iente de Func ionamiento ( I F ). Valor mínimo de sobreintensidad que hace

actuar al interruptor dentro del tiempo convencional.

Todas las corrientes características anteriores, adoptan diversos valores en función

de la norma a la que se refieran.

Características de intervención de interruptores automáticos modulares

Norma IN INF IF Tiempo

convencional

IEC 947 – 2

IEC 898

NCH 2012

< 63 A

> 63 A< 63 A> 63 A

< 82 A

1,05 IN

1,05 IN 1,13 IN1,13 IN

0,9 IN

1,30 IN

1,30 IN 1,45 IN 1,45 IN

1,30 IN

1,0 hrs.

2,0 hrs.1,0 hrs.2,0 hrs.

1,0 hrs.


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El disparador magnético de las protecciones modulares, debe ser capaz de soportar

sin operar, la corriente transitoria que se produce durante la conexión de la carga

presente en el circuito. Esta capacidad, queda definida por tres tipos de disparadores

característicos:

- Tipo B. Posee un rango de soporte al disparo por sobrecorrientes transitorias de

arranque comprendida entre las 3 y las 5 veces la capacidad nominal de la

protección. Su aplicación esta orientada preferentemente para circuitos de control y

alumbrado resistivo.

- Tipo C. Su rango de soporte esta comprendido entre las 5 y las 10 veces lacorriente nominal del interruptor. Posee gran cantidad de aplicaciones, siendo las

más comunes la iluminación fluorescente y los circuitos de enchufes.

- Tipo D. Se utiliza preferentemente para la protección de circuitos donde hay fuertes

transitorios de encendido. Resultan adecuados para la protección de pequeños

transformadores, motores, etc., Están regulados para sobrecorrientes entre 10 y 20

veces la capacidad nominal del disyuntor.

t

0,01 s3 5 10 20

B C D I N F

I F

Magnético(Sobreintensidad fuerte:desconexión rápida)

Térmico(Sobreintensidad débil:desconexión lenta)

Figura 3.3 – Curvas de operación normalizadas


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3.2.1.2 Capacidad de Ruptura

Es la más grande intensidad de cortocircuito que puede interrumpir el disyuntor en

las condiciones de tensión, factor de potencia y de cortocircuito determinado por la

norma. La protección deberá ser capaz, después de cortar, de funcionar

normalmente y de responder todavía a las exigencias propias de la red.

La capacidad de ruptura del automático deberá ser mayor o igual a la corriente de

cortocircuito supuesta en el punto donde el dispositivo esta instalado, para que

pueda proteger a la instalación de las fuertes solicitaciones a la que estará expuesta.

La Norma IEC 898 (Domiciliario), y la IEC 947 – 2 (Industrial), definen dos poderes

de ruptura según una secuencia de prueba para una misma protección:

Poder de Cortoci rcu i to de Servic io (I CS ) . Ensayado con la secuencia (*) O – t – CO

– t – CO.

Poder de Corto ci rcui to Último (I CU ) . Ensayado con la secuencia (*) O – t – CO.

(*) Nota:

O : Operación que presupone la intervención ante un cortocircuito establecido por un interruptor

auxiliar.

t : Tiempo de enfriamiento.

CO : Operación que presupone la intervención ante un cortocircuito encerrado al interior del aparato

(establecido por el mismo interruptor).

Estos ensayos definen principalmente el valor de la capacidad de ruptura que tendrá

una protección, según el ámbito o sector en la cual se utilice. Esto se establece

conforme a la relación existente entre el valor de cortocircuito extremo y el valor del

corto circuito de servicio.


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La relación entre ICU e ICS esta especificado normativamente a través del factor “k” ,

expresado a continuación:

Factores k de interruptores modulares

Poder de CortocircuitoÚltimo (ICU)

Factor k

ICU ≤ 6000 A6000 A < ICU ≤ 10000 A

ICU > 10000 A

10,75 (1)0,50 (2)

(1) Valor mínimo de ICS = 6000 A(2) Valor mínimo de ICS = 7500 A

Hasta 6 kA, el factor k = 1; en consecuencia, los interruptores con poder de corte de

interrupción último (ICU), menores a 6 kA, deben ser probados bajo las condiciones

más exigentes (O – t – CO – t – CO).

Se ha tenido en cuenta, de este modo, que tales interruptores son utilizados

preferentemente en el uso doméstico, donde las personas que accionan los aparatos

no tienen conocimientos específico para poder evaluar el comportamiento de los

aparatos en caso de cortocircuito y disponer eventualmente, de su sustitución (IEC898).

Para valores de ICU mayores a 6 kA, el factor k establecido, asigna al interruptor un

poder de interrupción último más elevado respecto al de servicio, ya que los aparatos

se utilizan en el sector industrial (IEC 947 – 2).

3.2.2 Protecciones Moldeadas

Las protecciones caja moldeada presentan similares características de construcción,

intervención y operación que las modulares, pero una de sus principales diferencias

esta en la posibilidad que estas tienen, en permitir al usuario modificar sus

características de respuesta.


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El campo de aplicación de las protecciones caja moldeada esta dado para el sector

terciario y principalmente para el industrial, debido a sus capacidades nominales y de

robustez, principalmente frente a los cortocircuitos de valor elevado.

Hoy en día, la electrónica se ha insertado en la construcción de las protecciones caja

moleada, haciendo que las posibilidades de uso como la de rendimiento de estas,

haya crecido enormemente sin perjuicio del espacio de ocupación al interior de los

tableros. Esto último es un gran adelanto, debido a que se ha logrado reducir los

tamaños de las protecciones sin modificar su capacidad nominal y características de

operación, lo que ha permitido reducir el costo asignado a tableraje de grandes

instalaciones, debido a que al disminuir el tamaño de las protecciones también se hareducido el tamaño de los gabinetes con la consiguiente economía que esto conlleva.

Otras de las posibilidades que las protecciones de características electrónicas

permite, es la de protección de neutro en sistemas trifásicos de cuatro hilos con

cargas monofásicas no lineales. Recordemos que estas cargas (especialmente los

computadores), generan corrientes armónicas de secuencia cero y de tercer orden

(tercer armónico triplens), las que producen circulación de corriente excesiva por los

conductores neutros de los alimentadores trifásicos, con el consiguiente riesgo de

sobrecarga de este debido a la utilización de protecciones que solamente operan y

protegen a los conductores activos (fases). Las nuevas protecciones electrónicas

permiten regular la corriente de operación del polo de neutro, a distintos valores

respecto a la corriente de fase.

3.2.2.1 Clasificación

Las protecciones caja moldeada se clasifican en dos categorías de utilización (A o

B), según la normalización internacional IEC 947-2. Esta norma determina si el

disyuntor está o no específicamente previsto para retrazar su operación en

presencia de un cortocircuito.


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Las protecciones categoría A, no están previstas específicamente para la

selectividad en condiciones de cortocircuito (sin tiempo de retardo). En general, son

del tipo electromecánicas, por lo que sus únicas posibilidades de regulación de

parámetros es solo en amplitud, ya que el tiempo es fijo.

Estas protecciones al ser electromecánicas, poseen al igual que las del tipo

modulares, contactos internos, disparador térmico, disparador magnético y cámara

de corte.

Los disparadores de las protecciones moldeadas categoría A, pueden ser ajustados

(dependiendo el modelo), a distintos valores conforme a los requerimientos de lainstalación. Al modificar el térmico, se regula el calibre de la protección, por ejemplo,

entre un 70% a un 100% de su valor nominal de fabricación. Respecto al magnético,

al regularlo permite modificar el soporte a las corrientes transitorias y por lo tanto

mejorar la selectividad de operación.

Figura 3.4 – Ejemplo curvas de operación magnetotérmico categoría A

zona dedesenclavamiento

térmico

zona dedesenclavamiento

magnético

I

t


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Las protecciones categoría B, están previstas específicamente para la selectividad

en condiciones de cortocircuito (con tiempo de retardo).

Estos disyuntores tienen un retardo intencional de corta duración (al menos 0,05

seg), y una corriente de cortocircuito asignada de corta duración que pueden

soportar durante este tiempo, denominada Icw (fijada por el fabricante conforme a la

norma IEC).

De acuerdo con la norma IEC, la Icw es la corriente de cortocircuito que el disyuntor

puede soportar por un tiempo mínimo de retardo, sin sufrir daños. Los tiempos de

retardo fijados por la norma internacional IEC 947-2 son: 0,05 ; 0,1 ; 0,25 , 0,5 y 1seg.

Según lo anterior, este tipo de interruptores tiene la facultad de poder mantener

cerrados sus contactos de apertura en presencia de un cortocircuito, durante un

tiempo dado, por sobre el convencional. Es importante aclarar, que para poder

atrasar el tiempo de operación de la protección, la corriente de cortocircuito presunta

que circularía por el dispositivo frente a una falla, debe ser menor o igual a la

corriente asignada de corta duración.

Valores de corriente asignada de corta duración

Capacidad nominal (In) Icw

In ≤ 2500 (A) 12 veces In o 5 kA (mayor valor)

In > 2500 (A) 30 kA

El disparo de la protección categoría B, frente a fallas de sobrecarga y cortocircuito,

no se realiza por medio del tradicional bimetal ni la bobina magnética, sino que se

realiza por medio de censores electrónicos para proceso y control (microprocesador),

y activadores.


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Las características del disparo electrónico se encuentra basada en tres zonas de

operación:

Figura 3.5 – Ejemplo curvas de operación electrónica categoría B

(1) (2)

I

t

(3)

(1) Zona de protección de largo tiempo de retardo (protección frente a sobrecargas)

(2) Zona de protección de corto tiempo de retardo (protección frente a

cortocircuitos)

(3) Zona de protección instantánea (protección frente a fuertes cortocircuitos)

Otra particularidad de las protecciones electrónicas, es que permiten regular su

calibre en una zona más amplia que para el caso de los disparadores

electromecánicos, además dependiendo del modelo se puede a la vez modificar su

tiempo de respuestas.

También existe la posibilidad del disparo de la protección frente a fugas a tierra,

transformándose el dispositivo en un disyuntor diferencial.


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3.3.0 Interruptores Limitadores

Como sabemos, el valor máximo de la corriente de cortocircuito en ausencia de

interrupción, depende de la presunta corriente de falla (valor eficaz de la componente

simétrica), del factor de potencia del defecto y de su ángulo de ataque. Esta corriente

máxima o peak (IP), puede llegar en el peor de los casos a ser igual a 2,2 veces la

corriente presunta de corto circuito (ICC).

Todos los dispositivos de interrupción automática de cortocircuito introducen después

del tiempo previo al arco, una resistencia de arco que impide hasta la primera

semionda, que se alcance el valor de cresta (IP) anteriormente considerado.

Se llama coeficiente de limitación “C” del aparato, a la relación entre la corriente

efectiva de cresta (IPI), y la corriente de cresta teórica (IP).

P

PI

I

IC =

El coeficiente de limitación es en función directa del tiempo previo al arco y función

inversa de la tensión de arco. Los interruptores del tipo rápido con largo tiempoprevio (3 ms.), y tensión de arco bastante reducida (25% del voltaje máximo de la

red), tienen unos coeficientes de limitación alrededor del valor 0,8; es decir, que

limitan la corriente de cresta teórica aproximadamente en un 20%.

Los interruptores limitadores de última generación, pueden tener tiempos previos al

arco inferiores a 1ms. y tensiones de arco elevadas, consiguiendo coeficientes de

limitación inferiores a 0,2. Esto significa que una corriente de cresta teórica de 10 kA

(que corresponde a una ICC = 6 kA), esta limitada a únicamente 2 kA (que

corresponde a una ICC = 1,5 kA). Esta teoría de la evaluación de la eficacia de los

interruptores, explica por que el poder de interrupción de los interruptores limitadores,

es igualdad de dimensiones, muy superior al que corresponde a los interruptores del

tipo rápido.


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Las curvas de energía específica entregan la cantidad de energía que deja pasar la

protección, en función de la corriente de corto circuito producida por la falla.

Figura 3.7 – Ejemplo curva de energía específica

ICC (A)

i2t (A2/s)

109

108

107

106

105

104

103

102

101 102 103 104 105

25A

32A

40A

3.4.0 Condiciones de Utilización

Los interruptores automáticos para que brinden una adecuada protección, sin

sacrificar la continuidad del servicio, deben ser capaces de cumplir en cualquier tipo

de instalación eléctrica con las siguientes condiciones:

- Debe asegurar la continuidad de servicio.

- Debe ser capaz de permitir la filiación o back up de protecciones

- Debe asegurar la protección bajo condiciones de modificación de parámetros.

3.4.1 Selectividad de Operación

Al presentarse una sobrecorriente en una instalación (especialmente originada por un

cortocircuito), todas las protecciones que se encuentren entre la fuente de

alimentación y el punto fallado detectarán el defecto, pero solo el dispositivo más

cercano a la falla debe eliminarla para no sacrificar la continuidad del servicio.


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La selectividad se refiere a la protección que debe operar frente a una falla desde

aguas abajo hacia aguas arriba. Este concepto, al lograr que la protección que este

más cerca del punto de falla opere primero, delimita la falla a la menor área posible,

de modo que las perturbaciones que esta introduce al resto de la instalación son

mínimas, lográndose la continuidad de servicio deseada.

Teóricamente es posible asegurar por diferentes métodos, que dos protecciones son

selectivas siempre para cualquier valor de corriente de cortocircuito, a lo que se le

llama selectividad total. Lamentablemente en la práctica, debido a las combinaciones

de protecciones que normalmente se utilizan, sólo existirá selectividad entre dos

dispositivos hasta cierto valor de corriente de falla; esto último se denominaselectividad parcial.

Figura 3.8 – Selectividad

Sólo A abre

t

B

A

I

SELECTIVIDAD TOTAL

Sólo A abre

t

B

A

I

SELECTIVIDAD PARCIAL

Corriente Límitede Selectividad

Ambos abren

Para el primer caso de la figura 3.8, la selectividad estará asegurada cuando la

protección A opera para todas las corrientes de cortocircuito inferiores o iguales a su

poder de corte (selectividad total), mientras que para el segundo caso, la selectividad

estará asegurada hasta la corriente indicada en el punto de intersección de ambas

curvas. Para valores superiores a dicha corriente, ambas protecciones operan

(selectividad parcial).


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Para realizar una buena protección de acompañamiento, es necesario aplicar tablas

de asociación o afiliación de protecciones entregadas por los fabricantes.

3.5.0 Modificación de los Parámetros

Dentro de la selección de las características de la protección, un estudio que se hace

necesario, es averiguar la forma en como afecta a las características de disparo del

dispositivo, la variación de los parámetros nominales de funcionamiento.

Lo anterior es importante para poder tomar las medidas de corrección necesarias

para asegurar el normal desenvolvimiento de la protección y la adecuada operación

en condiciones que estén fuera de sus condiciones ideales de trabajo.

3.5.1 En Función de la Temperatura

Un disyuntor normalizado esta regulado para funcionar a su corriente nominal en una

temperatura ambiente de referencia:

- Según la NCH 2012 : 20ºC (disyuntores modulares).

- Según la IEC 898 : 30ºC (disyuntores modulares).

- Según la IEC 947 – 2 : 40ºC (disyuntores caja moldeada).

Cuando la temperatura se eleva sobre los valores indicados por la norma, es

conveniente reducir la corriente de utilización para evitar las desconexiones

intempestivas.

Los fabricantes deberán entregar tablas de coeficientes a utilizar, en función de la

temperatura ambiente.


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3.5.2 En Función de la Cantidad de Aparatos Yuxtapuestos

Cuando varios disyuntores se instalan uno junto al otro, funcionando

simultáneamente a su corriente nominal, la elevación térmica de un polo se limita;

esto se traduce en una elevación de la temperatura de funcionamiento de los

disyuntores, lo que provoca desenclavamientos intempestivos.

Es aconsejable aplicar coeficientes suplementarios dados por los fabricantes, sobre

las corrientes de empleo. Estos valores son los recomendados por la Norma IEC

439-1 (en nuestro país no existe normalización al respecto).

Coeficientes de desclasificación de interruptores

Nº de Aparatos Yuxtapuestos Coeficiente

de 1 a 3de 4 a 6de 7 a 9

más de 10

1,00,80,70,6

A fin de evitar la utilización de estos coeficientes, es necesario espaciar los aparatos,

para permitir una buena ventilación. Esto se logra a través de los elementosdenominados separadores o espaciadores.

3.5.3 En Función de la Frecuencia

Los disyuntores (modulares y caja moldeada), vienen diseñados de fabrica para ser

utilizados a una frecuencia nominal de 50 ó 60 Hz.

En instalaciones muy particulares (especialmente la gran minería), la frecuencia

nominal de la red de alimentación puede ser de 400 Hz. El funcionamiento a esta

frecuencia de los disyuntores, determina un cambio de características de

intervención termomagnética, que hay que tener en cuenta para efectuar la correcta

elección de estas protecciones.


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Respecto a la operación frente a la sobrecarga, el relé térmico interviene para

corrientes inferiores a las de trabajo a 50Hz, por lo que puede ser necesaria una

reducción de clasificación térmica del aparato, que se calculará mediante los

coeficientes de reducción entregados por el fabricante en forma gráfica o de tablas.

Para el caso del cortocircuito, el relé magnético interviene para corrientes superiores

a aquellas con las que funciona a 50 Hz; también en este caso, es necesario calcular

el valor de intervención magnética a 400 Hz utilizando los coeficientes de aumentos

suministrados por el fabricante. En forma general y a manera de ejemplo, se puede

indicar que para el caso de las protecciones modulares, sus umbrales de

intervención magnética se ven aumentados entre un 30 y un 45%.

En los circuitos de corriente continua, se pueden producir sobreintensidades debidas

a sobrecargas, a cortocircuitos o a derivaciones a tierra.

Para la protección contra sobrecargas es necesario que todos los bimetales del

seccionador sean atravesados por la corriente; en estas condiciones, el

funcionamiento térmico del interruptor en corriente continua no se diferencia

sustancialmente del funcionamiento en corriente alterna.

Para la protección de cortocircuitos (o derivación a tierra o a masa), es preciso que

los seccionadores afecten a ambos polos, excluyendo eventualmente el polo unido a

tierra o a masa. Debe tenerse presente que la capacidad de interrupción es tanto

mayor, cuan mayor sea el número de contactos del circuito.

En forma general y según lo anteriormente expuesto, una protección diseñada paratrabajar en corriente alterna, puede eventualmente ser utilizada para la protección de

sistemas que utilicen alimentación en corriente continua, teniendo la premisa de que

el valor de la tensión nominal de trabajo de la protección es menor al ser utilizada en

C.C. que en C.A.


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CAPÍTULO IV

PROTECCIÓN DE LOS MOTORES


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4.1.0 Fallas en los Motores Eléctricos

El resultado de un estudio hecho con más de 9.000 casos de fallas en motores en

Inglaterra, Finlandia y Estados Unidos, indica que más de la mitad de los defectos

producidos en estos se debe a sobrecarga, fallo de fase, humedad, aceite, polvo, etc.

Es importante destacar que estos defectos se han producido a pesar de la presencia

de un sistema de protección normal. Por otra parte, mientras que sólo el 25% de los

casos de defectos corresponde a motores de potencia superior a los 40 kW, el costo

de la reparación de los mismos supo

Apuntes de Protecciones Eléctricas de Baja Tensión

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