INTERRUPTORES AUTOMATICOS 2007
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DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN ÓPTIMA NORMALIZADA DE LOS INTERRUPTORES
AUTOMÁTICOS EN BAJA Y MEDIA TENSIÓN
RESUMEN
El objetivo del presente trabajo de investigación
“Dimensionamiento y selección óptimo normalizado de los
interruptores automáticos en baja y media tensión” es dar a
conocer una metodología que permita, en forma clara y precisa
dimensionar y seleccionar adecuadamente los equipos automáticos
de protección en baja y media tensión.
La información recopilada de los fabricantes en la fabricación de
los interruptores automáticos nos han servido para desarrollar el
presente tema, que estoy seguro será de mucho interés para los
profesionales vinculados con los circuitos eléctricos y sus
aplicaciones.
También se presenta el modelamiento de los diversos circuitos
eléctricos industriales y su comportamiento frente a las
sobrecorrientes y corrientes de cortocircuito. Se desarrolla una
metodología planteada por Fontescue, normas IEC 947 y VDE 102 –
1 - 2 que me permite seleccionar y dimensionar los interruptores
automáticos en baja y media tensión.
Finalmente los beneficiados con ésta investigación serán los
estudiantes y profesionales de ingeniería eléctrica vinculados con
la energía eléctrica en su generación, transmisión, distribución y
comercialización.
0
ABSTRACT
The objetive of the present work of investigation Dimensionament and
Seleccion Best common of the switches automatics on under and middle
voltage, is give to know a methodology who permiting in form clear and
precise, to dimension and to select suitably the automatic teams of protection
on under and middle voltage.
The collect informations of the manufacturers in the making of the automatic
swtches to use my to develop the present subject.
I sure to be much interest for the bonds professionals with the electric circuits and its applications.
Also to be present the modelamient of the various electric industrial circuits
and its behavior front over current and short circuit current.
He develop a consideret methodology for Fontescue, rules IEC 947, VDE 102 –
1 - 2 who may I permit to select and to dimension the automatic switches on
under and middle voltage.
Finally the beneficiads with this research the students and professionals of electric ingineering bonds with the electric energy in his generation, transmission, distribution and comercialition.
1
INTRODUCCION
En los primeros capítulos se desarrollan los conceptos básicos
utilizados en electrotecnia, con esta base y utilizando información
moderna proporcionada por los fabricantes, se describen la
constitución electromecánica, clasificación, normalización,
selección y regulación de los interruptores automáticos en baja y
media tensión.
Se presenta la normalización de los interruptores automáticos, en
el se justifica la presencia de los interruptores en los circuitos
frente a las perturbaciones de los sistemas eléctricos de potencia.
También se utilizan las normas internacionales VDE 102 – 1 – 2 e
IEC 947 así como el teorema de Fontescue.
Incluimos los resultados de la presente investigación los mismos
que consisten en: Análisis técnico económico, experiencia, vida útil
y datos para la adquisición de interruptores automáticos de baja y
media tensión.
Considerando que los interruptores automáticos de baja tensión,
no detectan las corrientes de fuga a tierra y son instalados en los
circuitos domiciliarios es que presentados el desarrollo breve de los
interruptores diferenciales, los mismos que si detectan las
corrientes de fuga a tierra, cuya presencia son muy nocivos para el
ser humano.
2
ALCANCES DE LA INVESTIGACION
Esta investigación es del tipo básico, dado que se utilizarán las normas
Internacionales IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) y VDE
(Asociación de electrotécnicos Alemanes) que no se hallan a disposición
del usuario, para aplicar una metodología que nos conduzca a realizar un
Dimensionamiento y selección óptimo normalizado de los interruptores
automáticos en baja y media tensión.
Con los resultados de ésta investigación los directos beneficiados serán
nuestros Estudiantes y Docentes de la FIEE – UNAC, las empresas
pertenecientes al sector eléctrico, los profesionales y diseñadores de
proyectos del campo de ingeniería eléctrica, ya que podrán realizar el
dimensionamiento y selección mas conveniente de los interruptores
automáticos.
MODELAMIENTO DEL SISTEMA
Actualmente, dado los altos avances tecnológicos, se utilizan los interruptores
automáticos los mismos que presentan las siguientes ventajas:
Abre y cierra con carga, regulable, selectivo, rearmable, ocupa poco espacio.
tiene cámara de extinción y presenta mucha seguridad mecánica.
Los interruptores automáticos (IA) modernos se clasifican como sigue:
. Magnéticos fijos y regulable.
. Termomagnéticos fijos y regulables.
. Térmico fijo y magnético regulable.
. Térmico regulable y magnético fijo
3
Térmica Protección contra las sobrecorrientes.
Magnética Protección contra las corriente de corto circuito.
Corriente de corto circuito.- Es el abundante flujo de electrones que
fluye por un punto defectuoso mientras dura la falla.
Modelo.- Es la representación física de un sistema eléctrico para lo cual
se utilizan elementos pasivos (R, L y C) y elementos activos (fuentes AC).
Interruptor.- Equipos diseñados para despejar, en forma rápida, las
fallas de sobrecorriente y corto circuito ocurridos en un sistema eléctrico.
Modelo de un sistema eléctrico elemental
Cuando se produce el corto circuito sucede :
. El Generador ve que la impedancia total cae bruscamente.
. En consecuencia el generador inyecta una alta corriente llamado
corriente de cortocircuito Icc.
. El IA debe despejar la falla de inmediato.
NORMALIZACION DE INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS
En el presente trabajo se pretende dar a conocer el contenido de las
Normas Internacionales IEC y VDE. Estas normas presentan una
terminología clara y cabal sobre los equipos y elementos que
conforman los SISTEMAS DE PROTECCION. Además se definen los
conceptos de :
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Seleccionar en forma adecuada el equipo eléctrico.
Protección de los equipos que gobiernan las cargas.
Realizar la coordinación y el ajuste de la protección.
Los aparatos de protección tienen la función de interrumpir el flujo de
energía eléctrica (sacando fuera de servicio a la carga, desconectándolo
de la línea de alimentación), cuando se presentan :
. Irregularidades en su funcionamiento de la carga ó
. Variaciones de V, I y F nominales del sistema eléctrico.
Estas normas nos brinda los procedimientos adecuados para la selección
y dimensionamiento de los interruptores automáticos en baja y media
tensión. Esta norma nos proporciona los parámetros mas exactos
aplicable a generadores, transformadores, líneas y usuarios en baja
tensión.
IEC 947 parte 2 Vn < 1Kv Baja tensión.
IEC 898 Vn < 1Kv Instalaciones
domiciliarias
IEC 364 Vn < 1Kv Instalaciones
domiciliarias
IEC 479 Vn < 1Kv Efectos fisiológicos de la
electricidad
Estas normas son aplicadas exclusivamente en la selección de interruptores
automáticos. Por otro lado contamos con las normas internacionales VDE
que son mucho mas estrictas que las IEC en la selección y
dimensionamiento de interruptores automáticos en baja y media
tensión.
VDE 0102, parte 1 Vn > 1 Kv Media tensión
VDE 0102, parte 2 Vn < 1Kv Baja tensión.
MISIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION
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Los equipos de protección, instalados dentro de un circuito eléctrico, son
muy importantes por:
. Proteger físicamente al personal técnico.
. Prevenir ó atenuar los daños al conjunto de equipos.
. Minimizar el tiempo de indisponibilidad de los equipos y las
interrupciones a los sistema servidos.
. Minimizar el efecto de las perturbaciones sobre el resto de la red.
. Aísla rápidamente los elementos fallados evitando la pérdida de la
estabilidad del sistema eléctrico.
. Utilización de equipos adecuados para que el sistema trabaje bien y
por ende tengamos una energía de alta calidad.
ESTUDIO DEL CORTO CIRCUITO
A fin de proteger al sistema ante estas fallas es de necesidad conocer la
magnitud de estas corrientes altas con la finalidad de:
. Diseñar y verificar la malla de puesta a tierra.
. Coordinar y calibrar los equipos de protección.
. Elegir y verificar la capacidad interruptiva de los
interruptores.
. Diseñar el sistema de arranque de los equipos.
. Elegir y verificar la capacidad momentánea de los equipos.
. Verificar los esfuerzos que se presentan en las barras y/o estructuras.
. Parámetros equivales para los estudios de sobretensiones y
armónicos.
. Calidad de energía en los SEPs.
Para realizar el estudio de corto circuito utilizaremos, a continuación,
herramientas muy importantes que nos facilitarán encontrar en forma
rápida las magnitudes de las corrientes de cortocircuito en sus tres
periodos.
6
METODOS COMPUTACIONALES
Es una metodología que se utiliza para hallar la solución de una red
grande con n generadores. Estos métodos computacionales por lo
general siguen los siguientes cuatro pasos:
. Formar la matriz de tensiones durante la pre-falla.
. Formar la matriz [Z] de barra de la red pasiva considerando las
reactancias de los generadores. (Inversa de [Y]).
. Calcular el incremento de voltaje que se produce al excitar a la red
en
el punto de falla por la fuente de corriente If, y con los generadores
reemplazados por sus reactancias.
. Calcular las tensiones en cada barra por superposición del voltaje
inicial
más el incremento de voltaje del paso anterior.
Programas computacionales utilizados para el calculo de las corrientes de
cortocircuito son los siguientes: CESI, DIGSILENG, CYME, ETAP, PTI, ASPEN,
ATP Y MATLAB.
Los métodos computacionales nombrados son muy utilizados desde hace
varios años por algunas empresas eléctricas peruanas, pero en las
universidades nacionales no disponemos de esta herramienta dado su
elevado costo de adquisición.
TEOREMA DE FONTESCUE
Este teorema plantea que un sistema eléctrico puede ser descompuesto
en tres subsistemas denominados secuencias positiva, negativa y cero.
7
Secuencias positiva, negativa y cero según el caso
Según el tipo de corto circuito ocurrido y teniéndose en cuenta el
tipo de aterramiento utilizado se pueden plantear el modelo
adecuado.
SELECCIÓN DE INTERRUPTORES AUTOMATICOS
Los Interruptores termomagnéticos han sido diseñados especialmente
para despejar en forma rápida las fallas de sobrecorriente y cortocircuito.
El tiempo del despeje dependerá de la regulación a la cual ha sido
calibrado el IA. (ver las curvas del fabricante de los interruptores
termomagnéticos).
La selección está definida por las norma internacionales IEC 947, VDE
102, NEMA AB-1 y UL – 489.
PARÁMETROS MINIMOS EN LA SELECCIÓN DE LOS IA
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Respecto a los valores de corrientes, para seleccionar correctamente un
interruptor automático fijo ó regulable, es necesario minimamente
disponer de los siguientes parámetros:
. Corriente nominal (In). KA
. I diseño = 1.2 In KA
. I elegido ó comercial KA
. Regulación Térmica = In / I elegido
. Regulación Magnética = I”max 3 / I elegido
. Potencia inicial de CC (MVA).
. Capacidad de impulso (MVA).
. Capacidad de ruptura (MVA).
. Poder de corte (MVA).
Con todos estos datos se puede seleccionar correctamente un interruptor
automático válido en baja y media tensión.
COORDINACIÓN DE LA PROTECCIÓN
A continuación presentamos la descripción pormenorizada de los 06
vernieres instalados en la parte frontal de los interruptores automáticos.
1 Io Regulación térmica previa de la corriente nominal.
2 Ir Regulación térmica de la previa sobre la corriente
nominal.
3 Im Regulación magnética basado en la regulación térmica.
4 Im Regulación magnética basado en la corriente nominal
del IA.
5 tr Tiempo de actuación de largo retardo (15 a 480 seg)
6 tm Tiempo de actuación de corto retardo (0 a 0.3 seg)
9
Regulación térmica, magnética y sus respectivos tiempos de los interruptores termomagnéticos automáticos
RESULTADOS
Los resultados de la presente investigación serán aplicados en beneficio
de nuestra Universidad, Institutos y Centros de Investigación en el
manejo de la energía eléctrica. Las Universidades y Centros de
capacitación no cuentan con los procedimientos para el
dimensionamiento y selección de los interruptores automáticos
recomendados en las actuales normas peruanas.
Conocedor de la situación técnica industrial en la que se encuentra
nuestro país podemos afirmar lo siguiente:
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PROTECCION EN BAJA TENSION ING. HUBER MURILLO M
REGULACION TERMICA Y MAGNETICA EN LOS IA
Ir 0.4 … 1 In
1 2
Im 1.5 … 10 Ir3
I 1.5 … 10 In
4
Tiempo
X In Amperios
5 15 … 480 seg
6
0 … 0.3 seg
In = 1000 A
1 Io 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 1
Io = 0.8 x 1000 = 800 A
2 Ir 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 1
Ir = 9 x Io = 9 x 800 = 720 A
3 Im 1.5 2 3 4 5 6 9 10
Im = 5 x Ir = 5 x 720 = 3600 A
4 Im 1.5 2 3 4 5 6 9 10
Im = 6 x In = 6 x 1000 = 6000 A @
Las instalaciones eléctricas que utilizan seccionador – fusibles son:
. Instalaciones domiciliarias 70%.
. Instalaciones comerciales 60%.
. Instalaciones industriales 50%.
La solución es utilizar únicamente Interruptores Automáticos en el 100%
de
las instalaciones domiciliarias, comerciales e industriales.
Analizado y encuestando a una veintena de usuarios nos encontramos
con una triste realidad, y es que los usuarios no conocen las grandes
ventajas que presentan los interruptores automáticos.
La solución en la operación segura de los circuitos eléctricos es la
utilización de los interruptores automáticos los mismos que deben ser
óptimamente seleccionados según las características del circuito
eléctrico.
DISCUSION
Todos los autores consultados coinciden en señalar que en los trabajos
vinculados con la electricidad se debe garantizar la seguridad integral de
las personas y elementos de su entorno, en tal sentido podemos afirmar
que:
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. Que los dispositivos, mas adecuados, que se utilizan para proteger al
personal técnico vinculado con los equipos y máquinas eléctricas
son los interruptores automáticos.
. El equipo idóneo para controlar y proteger los sistemas eléctricos de
corriente continua y alterna son los interruptores automáticos.
Algunos autores manifiestan que la utilización de los seccionadores
fusibles benefician mas al usuario dado su bajo costo y sobre la seguridad
que provee depende muchísimo de la capacitación del personal técnico,
sobre la manipulación y reemplazo de fusibles.
Estos dos manifiestos me permiten plantear las conclusiones y
recomendaciones que a continuación acompaño.
CONCLUSIONES
Después de haber estudiado a profundidad los interruptores
automáticos, donde se ha resaltado el procedimiento a seguir en la
selección de los mismos es que presentamos finalmente las siguientes
conclusiones:
Sobre las prestaciones.- Dado la necesidad de contar con una amplia
seguridad en la manipulación de estos equipos es que se construyen
totalmente compactos y encapsulados de esta forma las prestaciones
mas importantes de estos equipos es conectar, abrir, controlar y
proteger los circuitos eléctricos conformados por las fuentes de energía,
conductores alimentadores y sus respectivas cargas.
De las características de trabajo.- Hemos manifestado muchísimas
ventajas de éstos equipos entre los que mencionaremos nuevamente:
Selectividad, confiabilidad, estabilidad, sensibilidad, simplicidad,
fiabilidad, coordinación de la protección (regulación de la corriente y
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tiempo de accionamiento) y bajo costo de mantenimiento, pudiendo
trabajar en zonas muy agrestes y soportar vibraciones considerables.
De las comunicaciones.- Estos equipos en la actualidad trabajan con
un puerto serial donde se conecta una interfase hombre máquina (IHM),
que me permite interactuar con un computador. Teniendo la información
ON LINE en mi puesto de trabajo puedo controlar, programar, abrir ó
cerrar cualquier circuito en forma remota y/o local. Están preparados
para trabajar en redes LAN, WAN, fibras ópticas u otro medio utilizado en
comunicaciones. Esto me permite integrar los procesos y procedimientos
y por ende minimizar costos.
De la protección Integral.- Se ha demostrado que estos equipos
pueden detectar las perturbaciones ocurridas en un circuito eléctrico de
corriente continua ó alterna, en este sentido, se complementan con un
circuito electrónico el mismo que posee una gama muy amplia de
controles y protecciones contra cualquier alteración de los parámetros
eléctricos.
De la vida útil.- Dado su importancia dentro del los circuitos eléctricos,
estos equipos son fabricados utilizando componentes modernos con
tecnología punta garantizando por lo general que sobrepasen
largamente su tiempo de diseño de vida útil, el mismo que sobrepasa los
20 años.
RECOMENDACIONES
Siendo muy amplio el tema de las recomendaciones, es que voy a
recalcar algunos procedimientos detallados en el presente trabajo y
aplicados en el campo industrial, los mismos que pasamos a recalcar:
La selección.- Seguir estrictamente el procedimiento contemplado por
las normas internaciones VDE 102 – 1 – 2 , IEC 947 y ocasionalmente el
Teorema de Fontecue, que son compatibles con las normas de nuestro
país.
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Dado su importancia es que estamos acompañando el apéndice A sobre
los interruptores diferenciales que es obligatoriamente utilizado en la
industria de la construcción y cualquier circuito que necesite detectar
corrientes de fuga a tierra y/o entre fases.
Los protocolos de prueba.- Antes de poner en servicio un interruptor
automático es necesario comprobar su accionamiento (por
sobrecorriente y cortocircuito), aislamiento, entre otros; con estos datos
puedo verificar que el equipo se halla en perfectas condiciones de
trabajo. Siendo así este equipo se halla apto para ser instalado IN SITU y
probado nuevamente (pruebas de rutina) de esta forma podemos afirmar
que el equipo se halla apto para trabajar.
En la puesta en servicio.- El Técnico antes de instalar estos equipos
deberá chequear si las características del interruptor automático coincide
con las requeridas en el plano eléctrico del circuito. Seguidamente se
debe realizar la coordinación de la protección en función de los demás
interruptores que se hallan aguas arriba y abajo. Es muy importante,
antes de activar un circuito con el interruptor automático se tiene que
verificar que el circuito este apto para recibir energía eléctrica.
En las redes de comunicación local y remota.- Si la empresa ya
maneja redes es conveniente tener interconectados los diversos
interruptores automáticos a un computador central para de esta forma
poder controlarlos y hasta regularlos según la necesidad del proceso y/o
flujo de producción.
Optimización en el control y protección.- Un sistema eléctrico
presenta un control y protección optimizados cuando los equipos se
hallan estratégicamente instalados y monitoreados en forma local ó
remota.
Siempre usar equipos de marca.- Al adquirir un interruptor
automático, solicitar la hoja técnica del mismo (el fabricante esta en la
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obligación de darnos), en ella se podrá constatar los parámetros de placa
y los demás detalles ya estudiados.
Nunca realizar un trabajo temporal.- En nuestro país todo trabajo
temporal, se convierte en definitivo, de manera que es mejor no hacer el
trabajo(esta referido a los reemplazos temporales de conductores,
contactores, interruptores automáticos muy pequeños ó muy grandes).
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15
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