Cuaderno Técnico nº 002

Protección de redes por elsistema de selectividad lógica

F. Sautriau

Cuaderno Técnico Schneider n° 002 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

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cuadernotécnico no 002

Protección de redespor el Sistema deSelectividad Lógica

Por: F. Sautriau

Trad.: Dr. M. Cortes; M. Plà.

Edición francesa: setiembre 1 990

Versión española: marzo 2 000

François SAUTRIAU

Se diplomó como Ingeniero ESE en1968. En 1970 entró en Merlin Gerin.Después de haberse dedicado alestudio de redes y de protecciones,pasó a responsabilizarse de laoficina de estudios de realización deconjuntos industriales y acontinuación de equipos destinadosa la marina.

Actualmente es consejero en elservicio de marketing delDepartamento de Protección y deControl y Mando.

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Terminología

SSL: Sistema de Selectividad Lógica,patente de Merlin Gerin nº 1 421 236,que permite garantizar unaselectividad total entre todos loscircuitos de una red de distribución.

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Protección de redes por el Sistema de Selectividad Lógica

Un defecto producido en un puntocualquiera de una red de distribuciónno debe, de ninguna manera, dejarsin corriente eléctrica el conjunto deuna instalación. De esta premisaresulta la necesidad de aislarrápidamente la zona afectada por eldefecto, manteniendo el suministrode energía eléctrica al resto deusuarios.

Esto constituye el principio deselectividad de las desconexiones.Debe funcionar el elemento deprotección (interruptor automático ofusible), y únicamente él, colocadoinmediatamente aguas arriba delcircuito donde se ha producido eldefecto. Las demás protecciones nose deben desconectar. Losprocedimientos clásicos deselectividad, amperimétrica ocronométrica, permiten con ciertogrado de fiabilidad cumplir estaexigencia.

El Sistema de Selectividad Lógica,SSL (patente de Merlin Gerin) permiteobtener una selectividad total entretodos los eslabones de una red dedistribución eléctrica, industrial oterciaria, desde los de alta a los debaja tensión. Además, permite aislarel defecto en un tiempo muy reducidoe independiente del punto donde sehaya producido el incidente.

Índice

1 Procedimientos clásicos de La selectividad amperimétrica p. 6selectividad y sus límites La selectividad cronométrica p. 6

2 La selectividad lógica Principio del sistema de p. 8selectividad lógica

Aplicación de la selectividad p. 9lógica a la gama VIGIRACK

Aplicación de la selectividad p. 9lógica al SEPAM

Puesta en servicio de la p. 10selectividad lógica

Algunos esquemas de p. 12aplicación de la selectividad lógica

3 Ventajas de la selectividad lógica p. 13

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La selectividadamperimétrica

Este sistema utiliza aparamenta deprotección de respuesta instantánea,como son interruptores automáticosrápidos o fusibles.

Se basa en el hecho de que laintensidad de cortocircuito es másalta cuanto más próximo está eldefecto de la fuente. Se parte delprincipio IrD2 > IrD1. En consecuenciase emplea básicamente en bajatensión donde las impedancias deconexión no son despreciables.

En el esquema de la figura 1, sedesignan por Ir los valores deregulación de la intensidad dedisparo instantáneo y por IccA el valormáximo de la corriente decortocircuito que se puede estableceren el punto A, sabiendo queúnicamente se produce el disparocuando Idefec > Ir, y resultando:

n selectividad total si IrD2 > IccA >IrD1

n y si IccA > IrD2, la selectividadamperimétrica no es total,denominándose selectividad parcial,puesto que el funcionamiento seráselectivo únicamente cuandoIdefec < IrD2.

1 Procedimientos clásicos de selectividad y sus límites

D2

D1

A

Ir IccdefectoD2D1 A

Ir I

Idefecto

umbral

D2

D1

td

td T1

T2

tr

D2D1

1

22

tcD1

tiempo

Fig. 1: Ejemplo de selectividadamperimétrica parcial. Fig. 2: Principio de la selectividad cronométrica.

n selectividad garantizada si

IrD1 < intensidad del defecto < IrD2

n selectividad no garantizada cuando

IrD2 < intensidad del defecto < IccA

La selectividadcronométrica

La selectividad cronométrica consisteen temporizar la protección aguasarriba para que la protección aguasabajo tenga tiempo de aislar la zonadel defecto.

El salto de temporización entre dosprotecciones sucesivas correspondeal tiempo de corte del interruptorautomático aguas abajo, sumado altiempo de desexcitación de laprotección aguas arriba (figura 2).

Así, la selectividad total sólo sepuede obtener retrasando las

td1, td2, = tiempo de recepción de las protecciones nº 1 y nº 2,T1, T2 = temporización (retardo) de las protecciones nº 1 y nº 2,tcD1 = tiempo de apertura del interruptor automático D1,tr2, = tiempo de caída (desexcitación) de la protección nº 2,selectividad cronométrica ⇒ T2 - tr2 ≥ T1 + tcD1,intervalo de temporización ⇒ T2 - T1 ≥ tcD1 - tr2.

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protecciones mediantetemporizaciones más largas amedida que la aparamenta seencuentra más próxima a la fuente deenergía.

En el ejemplo de la figura 3, losinterruptores automáticos D1 notienen retardo alguno en el disparo(instantáneos), los interruptoresautomáticos D2 tienen un retardo de0,3 s, D3 de 0,6 s, y los D4 de 0,9 s.

Una consecuencia nefasta de estastemporizaciones escalonadas es unretardo excesivo en la abertura delcircuito producida por un defectoaguas arriba de la instalación; en elejemplo precedente: es de 0,9 s en elnivel A. En la fuente el retardo resultaexcesivo y presenta múltiplesinconvenientes:

n es generalmente incompatible conlas exigencias del distribuidor deenergía, que solicita unatemporización muy corta a nivel deinterruptor automático de cabecera oprincipal de suministro;

n impone un sobredimensionado delos cables y de los cuadros porefectos térmicos,

n incrementa considerablemente losriesgos de destrucción producidospor el arco en el punto de defecto.

D1

D4 : 09s

D3 : 06s

D2 : 03s

: 0s

A

Fig. 3: Distribución en antena con utilización de la selectividad cronométrica.

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2 La selectividad lógica

La selectividad amperimétrica ycronométrica tienen, como acabamosde exponer, sus puntos débiles. Lostécnicos eléctricos han aprendido asortearlas, a menudo en detrimentode la propia selectividad.

El Sistema de Selectividad Lógica hasido desarrollado con objeto deponer remedio a estosinconvenientes; permitiendo obteneruna selectividad de desconexiónperfecta, y en consecuencia unareducción considerable del retardodel disparo de los interruptoresautomáticos más próximos a lafuente.

Principio del sistema deselectividad lógica

Cuando se produce un defecto enuna red de distribución en antena, laintensidad de la corriente producidarecorre el circuito situado entre lafuente y el punto de defecto, con lasconsiguientes consecuencias:

n son solicitadas las proteccionesaguas arriba del defecto;

n las protecciones aguas abajo deldefecto no se ven afectadas;

n únicamente debe actuar la primeraprotección situada aguas arriba deldefecto.

Cada interruptor automático tieneasociada una protección lógica, aptapara emitir y recibir una orden deespera. Cuando una protección seactiva, solicitada por una corriente dedefecto:

n emite una orden lógica de espera;

n provoca el disparo del interruptorautomático asociado.

La figura 4 representa de formasimplificada una distribución enantena (con un solo interruptorautomático por cada cuadro).

Funcionamiento cuando el defectoaparece en el punto A de la figura 4

n las protecciones Nº 1, Nº 2, Nº 3 aNº (n), son solicitadas;

n la protección Nº 1 emite una ordende espera lógica aguas arriba y unaorden de disparo del interruptorautomático D1;

n las protecciones Nº 2, Nº 3�Nº (n)emiten una orden de espera lógicadesde aguas abajo dirigida aguasarriba, a la vez que reciben una señallógica que les induce a dar la ordende disparo de los disyuntores D2,D3�D(n) asociados (este procesológico se interrumpe cuando laprotección Nº (n) tiene un reglaje talque la intensidad del defecto resultainferior a su umbral de regulación Ir).

El disyuntor D1 elimina el defecto A alcabo de:

tcD1 = T11 + t1

siendo:

tcD1: tiempo de apertura delinterruptor automático D1,

T11 = temporización (retardo) de la

protección Nº 1,

t1 = tiempo propio de apertura de D1,incluido tiempo del arco.

Funcionamiento cuando el defectoaparece en el punto B de la figura 4

n la protección Nº 1 no estásolicitada;

n las protecciones Nº 2, Nº 3�Nº (n)están solicitadas y emiten una ordende espera lógica aguas arriba;

n únicamente el interruptorautomático Nº 2 no recibe la orden deespera lógica y emite la señal decorte.

El disyuntor D2 elimina el defecto B alcabo de:

tcD2 = T12 + t2

siendo:

tcD2: tiempo de apertura delinterruptor automático D2,

T12 = temporización (retardo) de la

protección Nº 2

t2 = tiempo propio de apertura de D2,incluido tiempo del arco.

El mismo razonamiento puede seraplicado a cualquiera de los

interruptores automáticos integradosen la red de distribución.

Las temporizaciones T11, T1

2, T1(n)

de las protecciones Nº 1, Nº 2,�Nº(n) no intervienen en la selectividad ysolo están concebidas para lafunción de protección: los reglajespueden ser tan cortos como requierala protección y la transitoriedad de lapuesta en carga (motores,transformadores).

ProtecciónNº 4

ProtecciónNº 3

ProtecciónNº 2

ProtecciónNº 1

Dn

D3

A

tc

circ

uito

de

an

ten

a ló

gic

oci

rcu

ito d

e a

nte

na

lóg

ico

Dn

tcD3

dispositivo dedisparo

D2

D1

B

tcD2

tcD1

Fig. 4: Distribución en antena conutilización de la selectividad lógica.

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Con el sistema de selectividad lógicael tiempo de eliminación de losdefectos puede ser así muy reducidoy ser independiente del número deetapas. Así es posible obtener laselectividad entre una proteccióninstantánea aguas arriba y unaprotección temporizada aguas abajo,para prever por ejemplo unatemporización más reducida en lafuente de energía que cerca de losreceptores.

Observación:

La función «espera lógica»corresponde al aumento de latemporización propia de los relésaguas arriba. Por cuestión deseguridad, la duración de la esperadebe ser limitada, ya que laprotección ha de permitir elfuncionamiento en socorro aguasarriba aislando la zona aguas abajodel defecto.

El sistema de selectividad lógica seaplica a las protecciones:

n con tecnología estática analógicade la gama Vigirack,

n con tecnología numérica conmicroprocesador, Sepam.

Aplicación de laselectividad lógica a lagama VIGIRACK

La gama Vigirack está constituida pormódulos o racks de tarjetaselectrónicas conectablescorrespondientes a las funciones deprotección de la red y de losreceptores eléctricos.

Para obtener las ventajas de laselectividad lógica, es suficiente:

nnnnn implantar la tarjeta electrónica delógica Vigirack en el panel quecontiene las tarjetas Vigirack deprotección de sobreintensidad;

nnnnn realizar el cableado de los circuitosde espera lógica entre los paneles deprotección de disyuntores del cuadroy entre los cuadros.

Funcionamiento, figuras 5 y 6

El sobrepasar el umbral de un de lastarjetas electrónicas de protección desobreintensidad de un panel,provoca:

tc

Sobreintensidad Selectividad lógica

orden de espera lógicadirigida a los relés aguas arriba

orden de espera lógicaproveniente de los relés aguas abajo

T

umbrales

1

2

3

T

T

Y

duración de la emisiónde la orden de espera lógica

retardo al disparo

duración de la eliminaciónde un defecto

duración efectiva de la esperalógica impuesta a los relésaguas arriba

aparición del defecto

tiempo

T 1

2T

T 1

T 1 T 3

tc

T

Fig. 5: Sinóptico de la tarjeta de selectividad lógica Vigirack.

Fig. 6: Representación gráfica de la intervención de diversas «temporizaciones».

nnnnn la emisión instantánea de unaorden de espera lógica de duraciónlimitada T2,

nnnnn la interrupción de la orden deespera lógica después del disparodel disyuntor asociado a las tarjetaselectrónicas de protección, es decirdespués de T1 + T3.

La recepción por una tarjetaelectrónica de Selectividad Lógica deuna orden de espera lógica retrasa elarranque de la temporización de lasfunciones de protección(amperimétrica y/o homopolar) que leestán asociados.

Aplicación de laselectividad lógica alSEPAM

Sepam es una unidad programableque asegura las funciones demedida, protección, automatismo ycomunicación para el control demando de las redes eléctricas.

Está compuesto de un cartucho dememoria enchufable que contiene losparámetros de las protecciones y elprograma de los automatismos.

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Para obtener las ventajas de laselectividad lógica, es suficiente:

nnnnn programar las instruccioneslógicas en el automatismo delSepam (figura 7),

nnnnn realizar el cableado de los circuitosde espera lógica entre el Sepam deprotección de disyuntores del cuadroy entre los cuadros.

Funcionamiento (figura 7)

La solicitación de una protección desobreintensidad de un Sepam,provoca:

nnnnn la emisión instantánea de unaorden de espera lógica,

nnnnn la interrupción de la orden deespera lógica después del disparodel disyuntor asociado al Sepam.

La recepción por un Sepam de unaorden de espera lógica provocadurante un periodo de tiempolimitado, un retraso del disparo porlas funciones de sobreintensidad delSepam.

Puesta en servicio de laselectividad lógica

Principio del cableado de loscircuitos de espera lógica. (Figura 8)

Determinación de los reglajes de lastemporizaciones

nnnnn de protección

La temporización T1 de cadaprotección se determina parafranquear las sobreintensidadesnormales o inevitables (puesta encarga de transformadores, arranquede motores) y para eliminar losdefectos lo más rápidamente posible.

La preocupación de una selectividad(cronométrica) no afecta la elecciónde la temporización; por ejemplo unaprotección de cortocircuitoinstantáneo puede ser utilizada en unpanel donde las salidas hacia losreceptores precisan de proteccionescontra cortocircuito que seantemporizadas,

nnnnn de selectividad lógica

Esta supone 2 temporizaciones:

nnnnn T2 corresponde a la duraciónmáxima de espera lógica, hasta sullegada; T2 debe estar regulada con

K94

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

T O

T O

SUBRUTINA DE SELECTIVIDAD LÓGICA

RECEPCIÓN DE ESPERA LÓGICA

DURACIÓN MÁXIMA DE LA ORDEN DE ESPERA LÓGICA

PROTECCIONES INSTANTÁNEAS

ETC...DISPARO POR PROTECCIONES TEMPORIZADAS

MANTENIMIENTO DE LA EMISIÓN DE ESPERA LÓGICA1,2s TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DEL INTERRUPTOR AUTOMÁTICO

RECEPCIÓN ESPERA LÓGICA. K95 AÑADE TIEMPO DECICLO A LA RECEPCIÓN DE ESPERA LÓGICA K96DESPUÉS DE DESAPARECER UN DEFECTO

EMISIÓN DE ESPERA LÓGICA

K96

T16

K94

01

K95

T15

18

01

F12

F32

K96 K95

T16

F31

F11

K96

18

T15

ETC...

06

Fig. 7: Ejemplo de selectividad amperimétrica parcial.

entrada de espera lógica

salidasde esperalógica

entradade esperalógica

salidasde esperalógica

Fig. 8: Principio del cableado de los circuitos de espera lógica.

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un valor igual a 2 veces el tiempomás largo de eliminación del defectoaguas abajo;

nnnnn T3 corresponde al tiempo duranteel cual se mantiene la espera lógicadespués del funcionamiento de laprotección, T3 debe estar reguladacon un valor ligeramente superior altiempo de funcionamiento del aparatode corte (disyuntor o contactor)asociado a la protección.

Observación:

La limitación de la duración máximaT2 de la espera lógica puede hacerse

nnnnn por la protección que emite laorden de espera en la soluciónVigirack,

nnnnn por la protección que recibe laorden de espera en la soluciónSepam.

Empleo del sistema de selectividadlógica (figura 9)

La selectividad lógica puede seraplicada:

nnnnn para las protecciones de cortocircuito y de defecto homopolar,

nnnnn en toda la extensión de una red,desde la alta tensión justo en lasramificaciones principales en bajatensión,

nnnnn solamente sobre un elemento dela red, por ejemplo en un panel, laselectividad es parte integrante delequipo construido y ensayado enfábrica.

En función de las necesidades delusuario y de las circunstancias de larealización del tendido eléctrico, laaplicación de la selectividad lógicapuede ser:

nnnnn puntual en un puesto,

nnnnn progresiva extendiéndose de unpuesto a otro aprovechando losplanes de actuación demantenimiento de la red,

nnnnn global si se prevé desde elproyecto de concepción de la red.

circuitode esperalógica

0,1s

0,6s

0,3s

0,6s 0,6s

0,1s

0,6s

Fig. 9: Ejemplo de reglaje de las temporizaciones, aplicando la selectividad lógica en unpanel.

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A

Fig. 11: Distribución en anillo cerrado, con cortocircuito en A.

A

D1

D3

D2

D4

D0

Fig. 10: Cableado en paralelo, con cortocircuito en A.

Algunos esquemas deaplicación de laselectividad lógica

El principio ha sido expuesto para suaplicación de las redes en antena,pero otros esquemas puedenbeneficiarse de la selectividad lógica:tendidos en paralelo y distribución enanillo cerrado o bucle.

Tendidos en paralelo

El esquema de la figura 10representa dos centros conectadospor 2 cables en paralelo.

Si se produce un corto circuito en elpunto A, es necesario que losinterruptores automáticos D2 y D4, ysólo ellos se desconecten, aislandoasí al conductor afectado por eldefecto y permitiendo de continuar laalimentación del centro.

Para que la selectividad se realice esnecesario orientar las ordenes deespera lógica mediante relésdireccionales.

El examen del esquema nos muestraque los las protecciones asociadas alos interruptores automáticos D0 aD4 «ven» todas el defecto: emitiendo,pues, todas ellas una orden deespera lógica.

Cuando el relé direccional asociado aD4 ha basculado, hace que lasordenes de espera lógicas seanbifurcadas de tal forma queúnicamente se desconecten losinterruptores automáticos D2 y D4.

Distribución en bucle

El esquema de la figura 11 describeel principio de utilización del sistemade selectividad lógica en unadistribución en anillo cerrado o bucle,empleando relés direccionalesasociados.

Observación:

El termino «relé direccional»designa:

nnnnn o bien una tarjeta electrónica de lagama Vigirack de tecnología estáticaanalógica,

nnnnn o bien una función programada deSepam de tecnología numérica conmicroprocesador.

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3 Ventajas de la selectividad lógica

Aparte la selectividad de laprotección, que es una funciónprimordial del sistema, la rapidez delos disparos que se obtiene permitereducir las exigencias a lasolicitación por cortocircuito de lascanalizaciones, de la aparamenta, delos transformadores de corriente,etc.; en proporciones apreciableseconómicamente.

Esta actuación, de gran fiabilidad, sebasa como hemos visto, en laposibilidad que tiene el relé aguasabajo, de aumentar inteligentementela temporización propia de relé aguasarriba.

Un fallo no puede, en ningún caso,afectar el conjunto de lasprotecciones. Aunque ciertamenteutiliza la selectividad amperimétrica,presenta la innegable ventaja depermitir tiempos de disparo noacumulativos. Con ello, es posibleresolver el problema de laselectividad de los disparos sobre elconjunto de la red, desde lasprincipales ramificaciones de bajatensión hasta la alta tensión.

La puesta en servicio de estaprotección ofrece poca complejidad;se adapta sin dificultad tanto en losnuevos proyectos como en las

instalaciones existentes. Permite lasampliaciones sin modificar lasregulaciones y no necesita más queun simple enlace, por hilo piloto,entre los cuadros aguas abajo y elcuadro aguas arriba para latransmisión de las informacioneslógicas.

Además, al ser el sistemaindependiente del número de etapasprotegidas, la concepción de lasredes se hace en función de lasnecesidades reales del usuario y noen función de las exigencias deldistribuidor.