UNIVERSIDAD PRIVADA SAN PEDRO

ESCUELA: INGENIERIA

FACULTAD: INGENIERIA CIVIL

CURSO: INSTALACION EN INTERIORES

TEMA: PROTECCIONES ELECTRICAS

DOCENTE: Ing. Msc. CESÁR AUGUSTO LLANA YUFRA

INTEGRANTES: AYORA ROQUE LISBETH ARACELLI 2008209099

HUARAZ – ANCASH – PERÚ

NOVIEMBRE – 2009

1

DEDICATORIA

El presente trabajo lo dedico al profesor del

curso, por su esmerada labor y compañeros

de la Universidad San Pedro.

2

INTRODUCCION

La electricidad es innegablemente un factor que contribuye al desarrollo de la nación y

un elemento facilitador de la vida de las personas, pero al mismo tiempo, puede ser

causa de accidentes e incluso de muerte si no se respetan los procedimientos para su

manejo eficiente.

Este trabajo explica los tipos de falla que pueden presentarse en una instalación eléctrica

y describe los diferentes elementos protectores que aseguran la integridad de las

personas y de los equipos.

Por esto es de gran importancia que los profesionales Eléctricos tengan el correcto

dimensionamiento y utilización de las protecciones eléctricas, para la seguridad de los

bienes y de los usuarios a los que servirá una instalación determinada.

3

INDICE

1 CARACTERISTICAS OPERATIVAS DE UNA INSATLACION ELECTRICA…....6

1.1 Tipos de Falla ………………....……………….………………………………..…….6

2 CONCEPTOS BASICOS DEL ESTUDIO DE UN CORTOCIRCUITO………………8

2.1 Cálculos de un cortocircuito …………………………………………………………..8

3 SISTEMAS DE PROTECCION CONTRA ELECTROCUCION………...…….…….10

3.1.1 Puesta a tierra de las masas ………..……………….………..………………….....10

3.1.2 Interruptores O Reles diferenciales………………...………….…………..………..11

3.1.3 Relación de trasformador ideal……………..…..………………………………… 11

3.2 TRASFORMADORES DE POTENCIAL ……….……………… ……………16

3.2.1 Relación de trasformación ideal……………………………..……………………...16

3.2.2 Errores………………………………………………………………………………16

3.2.3 Conexiones………………………………………………………………………….17

3.3 DIVISORES DE TENSION CAPACITIVOS……………..……………………..18

3.3.1 Relación ideal de tensiones……………………………………………...…………18

3.3.2 Errores……………………………………………………………………...………19

3.4 OTROS TRASFORMADORES…………………………………………………..21

3.4.1 Transactor…………………………………………………...……………………..21

3.4.2 Filtro de secuencia negativa………………………………………………………..21

3.4.3Transformador sumador:………………………………………………..…………..22

4. RELES……………………………………………………………………………………...23

4.1 TIPOS DE ESTRUCTURAS………………………………….…………………...23

4.2 INDUCCION ELECTROMAGNETICA…………………………………………24

4.3 RELES DE INDUCCION DIRECCIONALES………….…………….…………27

4.3.1 Tipo Corriente-Corriente…………………………………………………………..27

4.3.2 Conexiones del Relé Trifásico……………………………………………………..28

4.3.3 Conexión 90º………………………………………………………………….……29

4.3.4 Conexión 30º………………………………………………………………...……..29

4.3.5 Conexión 60º. ……………………………………………………………...………30

4.3.6 Relé tipo impedancia…………………………………………………….…………30

4.3.7 Tipo impedancia modificada (Mho desplazado). …………………...……………..32

4.3.8 Relé tipo admitancia (Mho)…………………………………………….………….33

4

4.3.9 Relé tipo Ohm…………………………………….………………………..………34

4.3.10 Relé tipo reactancia………………………………………………………...……..35

4.4 RELÉS DIFERENCIALES………………………………………………………..36

4.4.1 De corriente circulante. ………………………………………….……………….36

4.4.2 De voltajes opuestos: (Balance de voltaje). ……………………………………….38

4.5 RELÉS ESTÁTICOS……………………………………………………………….38

4.5.1 Elemento…………………………………………………………………………...38

4.5.2 Unidad Mho……………………………………………………………..………….39

4.5.3 Método Bloque-Bloque…………………………………………………………….43

4.5.4 Método Bloque-punta…………………………………………………….………..44

4.5.5 Unidad Mho desplazado………………………………………………...…………47

5. PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISIÓN………………………….………..49

5.1 PROTECCIÓN CON FUSIBLES………………………………………...……….49

5.2 PROTECCIÓN CON RELÉS DE SOBRECORRIENTE……………………….49

5.3 PROTECCION PILOTO……………………………………………………..……60

5.4 PILOTO CON SEÑAL DE ALTA FRECUENCIA……………………….…….62

5.5 OBTENCIÓN DEL LUGAR GEOMETRICO DE LA IMPEDANCIA EN

CONDICIÓN DE SALIDA DE SINCRONISMO DE LA MÁQUINA…………..67

6 PROTECCION DE TRASFORMADORES…………………………………..……….71

6.1 Calculo para el ajuste de las protecciones del transformador de 30 MVA. …….........72

7. FALLA ENTRE ESPIRAS……………………………………………...………………77

8. PROTECCION DE BARRAS ………………………………...………………………..78

8.1 Con relés de alta impedancia…………………………………………..………………79

EJEMPLOS……………………………………………………….…………………………82

BIBLIOGRAFIA…………………………….………………………………………………99

5

MARCO TEORICO

1. CARACTERISTICAS OPERATIVAS DE UNA INSATLACION ELECTRICA

Durante su funcionamiento, toda instalación eléctrica puede presentar dos operativos:

a) Estado de Operación Normal : Es el estado de funcionamiento de una

instalación en el cual todos los parámetros del circuito (voltaje, consumo,

corriente, frecuencia, temperatura de los conductores, etc.). se encuentra dentro

de los márgenes previstos.

b) Estado de Operación Anormal : Cuando uno o mas parámetros de la

instalación Eléctrica exceden las condiciones previstas, decimos que el circuito

esta operando anormalmente. En este caso ocurren situaciones como el sobre

consumo, el aumento de temperatura en los conductores, variación de voltaje,

cortocircuitos, etc.

Según la gravedad que presenta las anormalidades, esta a su vez se clasifican en:

Perturbaciones : Corresponde a las anormalidades de breve duración que no

constituyen riesgo para la operación de una instalación eléctrica. Por ejemplo,

son perturbaciones de este tipo las variaciones momentáneas de voltaje o

frecuencia, o las sobrecargas de corriente de corta duración, que si bien pueden

tener un efecto pasajero en la instalación y los artefactos conectados a ella, unas

ves que las perturbaciones cesan todo vuelve ala normalidad.

Falla : Estas son anormalidades en las cuales se pone en peligro la integridad de

la instalación eléctrica, de los bienes materiales y de las personas. Debido a la

gravedad extrema de la situación anormal, el sistema eléctrico no puede seguir

operando. Los tipos de fallas mas comunes son las sobrecargas permanentes, los

cortocircuitos, as fallas de aislamiento, el corte de conductores, etc.

1.1 TIPOS DE FALLAS

Las fallas, según su naturaleza y gravedad, se clasifican en:

Falla de suministro de energía eléctrica : Cuando no hay suministro de energía

por parte del suministrador,) se tiene que hacer lo siguiente.

6

PRIMER PASO.- revisar la tensión (voltaje) en el medio de desconexión

principal o sea en la llegada de los cables que vienen de afuera al tablero.

EL Multimetro se deberá seleccionar en la indicación de volts en corriente

alterna (C.A.) poner la palanca del medio de desconexión en apagado (off)

SEGUNDO PASO.- quite la tapadera del medio de desconexión

TERCR PASO.- colocar las puntas de prueba del multimetro en las terminales

en las que se encuentran los cables que vienen de afuera al medio de

desconexión como se muestra en la figura.

CUARTO PASO.- tomar la lectura del multimetro.

Si la lectura en el multimetro indica 0 volts no hay suministro de energía

eléctrica por lo que deberá de reportarse al suministrador la falta de energía

eléctrica.

Sobrecarga : Se produce cuando la magnitud del voltaje o corriente supera el

valor previsto como normal para la instalación.

Las sobrecargas de corrientes más comunes se originan en el exceso de

consumo de la instalación eléctrica.

Debido a esta situación de mayor demanda, se produce un calentamiento

excesivo de los conductores eléctricos lo que puede conducir a la destrucción de

7

su aislamiento, provocando incluso su inflamación, con el siguiente riesgo para

las personas y la propiedad.

SI SE UTILIZA FUSIBLE

PRIMER PASO.- el multimetro se deberá de seleccionar en el selector en donde

indique volts de C.A. en el rango adecuado. Accione la palanca en posición de

desconectado.

SEGUNDO PASO.- Abrir el interruptor

TERCER PASO.- accionar la palanca en posición de cerrado (on).

CUARTO PASO .- colocar las puntas del multimetro una en el neutro y la otra en la

parte inferior del fusible

QUINTO PASO.- Tomar la lectura del multimetro si la lectura es 0 entonces no hay

tensión en la parte inferior del fusible.

SEXTO PASO.- colocar las puntas del multimetro una en el neutro y otra en la parte

superior del fusible tomar lectura del multimetro. Si la lectura es 127 volts entonces el

suministro de energía eléctrica es el adecuado.

SEPTIMO PASO.-accionar la palanca en posición abierta (off) retirar el fusible dañado

y reemplazarlo por uno nuevo, instalar nuevamente el fusible en su lugar.

Retirar los aparatos eléctricos causantes de la sobrecarga.

NOTA.- remplace el fusible, ni se le ocurra hacer el famoso puente o cosas así ya que

no son métodos muy seguros se llega a sobrecargar o un corto y se puede hacer un

desastre. "lo mas barato a la larga sale mas caro".

SI SE UTILIZA UN DISPOSITIVO DE PROTECCION CONTRA

SOBRECORRIENTE (BREAKER)

8

PRIMER PASO .- en el tablero localize el breaker y revise la posision de este

SEGUNDO PASO .- retire aparatos que fueron la causa de la sobrecarga y restablesca

el breaker (on)

Cortocircuito: Es la falla de mayor gravedad para una instalación eléctrica. En

los cortocircuitos el nivel de corriente alcanza valores tan altos, que los

conductores eléctricos se funden en los puntos de falla, produciendo calor,

chispas e incluso flamas generando un alto riesgo de incendio del inmueble.

Los cortocircuitos se originan por la unión fortuita d las líneas eléctricas que han

perdido su aislamiento, entre las cuales existe una diferencia de potencial.

Fallas de Aislamiento : Esta fallas no siempre dan origen a un corto circuito, en

muchos casos una falla de aislamiento en algún equipo eléctrico provoca que la

carcaza metálica de dicho equipo se energice, con el consiguiente peligro para la

vida de las personas al sufrir una descarga eléctrica.

El origen de las fallas de aislamiento está en el envejecimiento del mismo, los

cortes de algún conductor, uniones mal aisladas, mala ejecución de las

reparaciones, uso de artefactos en mal estado, etc.

Las instalaciones eléctricas se deben diseñar para que en situaciones de mal

funcionamiento, ante una perturbación, sea capaz de soportar esta anormalidad pasajera

9

y volver a operar correctamente, sin arriesgar la integridad de las personas, los bienes y

la propia instalación.

Sin embargo, ya que es posible que ocurran anormalidades mas extremas, es decir

fallas, es necesario incorporar medidas que protejan a las personas y a los bienes frente

a los cortocircuitos y sobrecargas, dotando a las instalaciones de un sistema de

protecciones destinadas a minimizar los efectos de las fallas, de tala manera que al

presentarse alguna, la instalación dañada pueda ser aislada para su posterior reparación.

2.- CONCEPTOS BASICOS DEL ESTUDIO DE UN CORTOCIRCUITO

Los sistemas eléctricos de potencia en plantas industriales, centros comerciales y

grandes edificios, se diseñan para alimentar las cargas en una forma segura y confiable.

Uno de los aspectos en que l pone mayor atención es el controla adecuado de los

cortocircuitos o de la fallas, como se les conoce comúnmente, y que estas pueden

producir interrupciones de servicio con la consecuencia perdida de tiempo.

Las causas por la que ocurren las fallas son las siguientes:

Sobre tenciones de origen atmosférico

Envejecimiento prematuro de los aislamientos.

Falsos contactos y conexiones.

Presencia de elementos corrosivos.

Humedad.

Presencia de roedores.

Errores humanos.

2.1 CALCULO DEL CORTOCIRCUITO

El cálculo del valor preciso de una corriente asimétrica en un tiempo dado después de la

incepción de una falla, es un cálculo que puede resultar complejo, por lo tanto la

corriente de cortocircuito simétrica, se obtiene por el uso apropiado de la impedancia en

la ecuación básica:

10

Donde:

Є = tención en el sistema.

Z = impedancia equivalente del sistema que incluye a la red y las fuentes de

cortocircuito.

Cual instalación eléctrica debe estar provista de protecciones, cuyo objetivo es reducir

al máximo producidos por un cortocircuito o una sobrecarga. Para que esto sea posible,

las protecciones deben ser dimensionadas adecuadamente según las características del

circuito. Las protecciones más comunes que existen son:

a) Los fusibles : Los fusibles son aparatos de protección de las instalación o sus

componentes, diseñados para interrumpir la corriente por la fusión de uno de sus

elementos integrantes, cuando los valores de corriente en el punto protegido

exceden de cierto valor establecido durante un tiempo preestablecido.

Están compuestos por un hilo conductor de bajo punto de fusión, el que se

sustenta entre dos cuerpos conductores, en el interior de un envase de cerámico o

de vidrio, que le da su forma característica al fusible.

Este hilo conductor permite el paso de corriente por el circuito mientras los

valores de esta se mantengan entre los limites aceptables. Si estos límites son

excedidos el hilo se funde, despejando la falla y protegiendo así la instalación de

los efectos negativos de este exceso.

b) Los Disyuntores Magneto – Térmico : Son conocidos comúnmente como

interruptores automáticos, so dispositivos de protección que se caracteriza

fundamentadamente por:

Desconectar o conectar un circuito eléctrico en condiciones normales de

operación.

Desconectar un circuito eléctrico en condiciones de falla, ya sea frente a

una sobrecarga o frente a un cortocircuito.

Es posible que se utilice nuevamente después del “despeje” de una falla,

a diferencia del fusible, que solo sirve una vez.

El disyuntor magneto-térmico es un interruptor que desconecta el

circuito, cuyo accionamiento frente a la falla se debe a dos tipos de

elementos:

Elemento Térmico: Este dispositivo esta formado por un

bimetal, el cual se dilata en el calor que produce el exceso de

11

corriente, haciendo actuar el mecanismo de apertura del

interruptor que desconecta el circuito.

Elemento Magnético: Esta formada por una bobina, es decir

un conductor enrollado con gran cantidad de vueltas el rededor

de un núcleo magnético, que al ser recorrido por una corriente

eléctrica genera una acción magnética. Esta bobina esta

conectada en serie con el circuito que se va a proteger. Cuando

la corriente alcanza un valor muy grande el magnetismo

generado atrae un contacto móvil que activa la desconexión del

interruptor. Esto ocurre en un lapso de tiempo prácticamente

instantáneo.

3.- SISTEMAS DE PROTECCION CONTRA ELECTROCUCION

Entre las protecciones más empleadas tenemos la doméstica como la industrial, que son:

El interruptor diferencial y la puesta a tierra de las masas, puesto que casi siempre

se emplean redes de distribución con el neutro accesible y puesto a tierra, bien sea

directamente o a través de una pequeña impedancia.

3.1.1) PUESTA A TIERRA DE LAS MASAS: Es la unión eléctrica, entre todas las

masas metálicas de una instalación y un electrodo, que suele ser generalmente una

placa o una pica de cobre o hierro galvanizado.

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Las

medidas de la puesta a tierra se efectúan con unos aparatos especiales denominados

Telurómetros o Medidores de toma de tierra.

3.1.2) INTERRUPTORES O RELÉS DIFERENCIALES: Sumisión es

desconectar una red de distribución eléctrica, cuando alguna de sus fases se pone a

tierra, bien sea directamente o a través de humedades generalmente, El interruptor

diferencial se activa al detectar una corriente de defecto.

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7. FALLA ENTRE ESPIRAS .

La protección se puede hacer con el relé Buchholz (Figura 5.13).

EJEMPLOS:

1. Para el TC 1200/5 marca G.E. tipo BRY (de buje) con taps de 200/5, obtener la

corriente que pasa por el relé conectado a su secundario, si este tiene una carga con

impedancia de Z=0,2 (incluyendo la del alambre). En el primario circula una

corriente de falla de 500A.

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SOLUCION:

Mediante la ley de voltajes de Kirchhoff tiene:

Si se aplica ahora, la ley de corrientes de Kirchhoff en el nodo central se tiene:

Suponiendo un valor inicial de IS = 10 A, se tiene:

Con este valor se halla Ie de la característica del TC:

Se verifica si la ecuación (2) se cumple:

Donde:

No se cumple, por lo tanto, se toma otro valor de IS y repite el procedimiento.

Por lo tanto:

15

De la característica:

Verificando:

No se cumple cuando hacemos:

Esta respuesta se puede considerar suficientemente correcta; por tanto, la corriente

que pasará por el relé bajo las condiciones establecidas es de 12.4 A.

2. Se dispone de un relé direccional tipo Corriente-Corriente, se desea conseguir el

troqué máximo a un ángulo de 45° sin variar la corriente mínima de operación,

suponer que la bobina tiene una impedancia de valor 0.6 60º ∠

SOLUCIÓN:

Para que se cumpla la condición el ángulo entre I2 e I1 para par máximo debe ser

de 45°; el par máximo se logra cuando I2 esta adelantada 90° a la corriente que

circula por la bobina 1. Del relé (I1X). Se debe garantizar que la corriente mínima

de operación se mantenga constante; esto se logra manteniendo constante la

magnitud de la impedancia equivalente.

16

Para que el ángulo de máximo par este a 45° la corriente por la bobina debe estar a (-

45°).

Luego hay que colocarle una impedancia de (0,77 - j 0,104) en paralelo.

3. Un relé monofásico direccional de 60 Hz del tipo corriente tensión, tiene una bobina

de tensión cuya impedancia es de 230 + J 560. Si se conecta como en la Fig. 3.11 el

relé desarrolla su par máximo positivo cuando se alimenta una carga con factor de

potencia adelantado en una dirección dada.

Se desea modificar este relé de tal manera que desarrolle su par máximo positivo

para la carga en la misma dirección pero a 45º en atraso. Además se desea mantener

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la misma corriente mínima de operación. Dibuje un diagrama de conexión

mostrando las modificaciones que haría dando loa valores cuantitativos.

SOLUCIÓN:

φ = Ángulo de la impedancia de la bobina de voltaje

Véase en la Fig. La representación faso rial de las corrientes de operación ( OP I ) y

de referencia ( V I ).

Como el ángulo es mayor de 90° es necesario invertir la polaridad de la bocina de

voltaje del relé.

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En esta forma se varió el ángulo más no su magnitud dado por diseño cuyos valores:

La conexión del relé junto con sus valores cuantitativos se muestra en la figura 3.13.

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4. Un relé tipo IAC, se fijó en T2D2 (tap 2, dial 2), la TRC es 100/5, y la corriente de

coci, es de 500 A. ¿Cuanto demorará en actuar el relé?

SOLUCIÓN:

El múltiplo de la corriente tap:

De la figura 4.6 y para el dial 2 se obtiene un tiempo mínimo de operación de 0,48 Seg.

5. Seleccionar el relé, fijar el relé para las siguientes condiciones:

SOLUCIÓN:

Se selecciona la corriente secundaria nominal del transformador como 5 Amperios.

Se fija: Iprimaria = RTC A 300 = 60

20

Por lo cual se puede seleccionar el tap de 8 A que es el inmediatamente superior (y

menor que la Imin coci/1,5).

6. Tomando el siguiente gráfico

Línea A = 10; Línea B = 20; Línea C = 10

Estos valores se dan en secundarios.

21

En este último caso se fijan dos zonas.

7. Un transformador con tomas con posibilidad de variar el 10% (t = 0,9).

Para que el relé no opere cuando se cambia la toma.

22

Por seguridad y para tener en cuenta errores en la relacio-nes de

transformación de los TC' s se acostumbra a usar un factor de seguridad

de dos (2), entonces:

Se escogería, por tanto, un relé diferencial de porcentaje del 40%.

8. Sea una nave industrial alimentada a 220/380 V. mediante un transformador de 400

kVA. Suponiendo que el cable de salida del transformador es de cobre de sección

3,5x200 mm2. y de 23 metros de longitud, calculemos el poder de corte del interruptor

automático en ese punto.

La resistencia óhmica del cable utilizado, será:

Puesto que el cortocircuito se supone entre dos fases, este resultado hay que

multiplicarlo por

Las curvas características determinan para una resistencia de la línea de 0,0034 y un

transformador de 400 kVA., una intensidad de cortocircuito de 12.000 A.

Según esto, elegiremos un interruptor automático con un poder de corte de 12.000 A y

si este valor no existe comercialmente deberemos elegir el inmediatamente mayor que

encontremos. Cualquier cortocircuito que se produzca después será de intensidad

menor, ya que la resistencia intercalada será mayor, debiendo seguir el mismo criterio

de cálculo para los sucesivos puntos

9. La característica de un relé tipo reactancia esta definida por una recta paralela al eje

R, X=10 Ω. Obtener la grafica en el plano Y.

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Solución:

X=10 Ω. Comparando con la ecuación 1 se tiene que:

A1=0, A2=0, A3=1, A4=-10

Reemplazando estos valores en la ecuación 2 y completando el cuadrado aparece:

Lo que corresponde a una circunferencia de radio 1/20 y con centro en (0,-1/20).

La grafica correspondiente se muestra en la Fig. C.2.

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10. Un interruptor de tensión nominal de 15 kv, tiene un factor de rango k= 2.27 y un

valor de cortocircuito nominal de 19 ka.

Si el interruptor se aplica:

a) A un sistema con tensión de operación de 13 kv. Calcular su capacidad

interruptiva.

b) Respondonder la misma pregunta, si se conecta el interruptor a un

sistema de 6 kv.

Solución:

a) La capacidad interruptiva en 13 kv. Es:

La máxima capacidad interruptiva es k veces la corriente de cortocircuito nominal es

decir 2.27 x 19 ka = 43.14 ka.

b) Cuando se aplica el mismo interruptor a la red de 6 kv, la corriente interruptiva

es:

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La máxima capacidad del interruptor es: 43 A.

11. Para el sistema mostrado en la figura, calcular la corriente de cortocircuito

monobásico para una falla en los buses 1,2 y 3.

Solución:

26

27

28

12. En el diagrama siguiente, se muestra la protección diferencial de un trasformador de

potencia. El devanado de 115kv esta conectado en delta y el 13.8 kv en estrella. El

relevador diferencial tiene disponibles los siguientes taps: 2.9, 3.2, 3.5, 3.8, 4.2, 4.6, 5.0,

8.7, se desea:

a) indicar las conexiones que deben tener los trasformadores de corriente.

b) seleccionar las relaciones de trasformación para TC´s.

c) las corrientes que “VE” el relevador.

d) los taps y el error en estado permanente.

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La corriente en el secundario de los TC´s conectados en el lado de 13.8 kv (conectados

en delta).

d) Los taps y el error en estado permanente

La relación de las corrientes al relevador del lado de 115 kv al de 13.8 kv es:

De la lista de taps para el relevador, se seleccionan para el lado de 115 kv el de 2.9 y

Para el lado de 13.8 kv el de 5.0

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BIBLIOGRAFIA

Gilberto Carrillo Caicedo …….…………………………… Protecciones Eléctricas

Montané, Paulino ……...…………………Protecciones en Instalaciones Eléctricas

http://www.uclm.es/area/ing_rural/Instalaciones/Protecciones.pdf

http://apuntes.rincondelvago.com/protecciones-electricas.html

http://www.geocities.com/SiliconValley/Program/7735/TECNOL16.html

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