PROTECCIÓN DE INSTALACIONES DE BAJA TENSIÓN

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PROTECCIÓN DE INSTALACIONES

DE BAJA TENSIÓN

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Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 2 de 26 PRÁCTICA Nº 6

PROTECCIÓN DE INSTALACIONES DE BAJA TENSIÓN OBJETIVO

El objetivo es dimensionar las protecciones contra sobrecargas y cortocircuito de una instalación de Baja Tensión. Antes de seleccionar los dispositivos de protección, es necesario conocer las corrientes originadas por posibles cortocircuitos en los distintos puntos de la instalación, en las condiciones más desfavorables.

Partiendo de un ejemplo de un esquema de una instalación, se realizará previamente un cálculo práctico de las corrientes de cortocircuito, a fin de conocer sus valores en los puntos de instalación de los dispositivos de protección.

FUNDAMENTO TEÓRICO

PROTECCIÓN DE INSTALACIONES DE BAJA TENSIÓN 1.- INTRODUCCIÓN

Durante la explotación de cualquier instalación suelen producirse, de forma esporádica, averías u otras circunstancias que determinan que las corrientes o tensiones en la instalación o en parte de ella sean mayores que en condiciones normales de funcionamiento.

Cuando se producen estas condiciones anormales (sobreintensidades o sobretensiones) es necesario que actúen los sistema de protección.

El objetivo de este capítulo es la protección de la instalación eléctrica y no de las personas.

1.1.- Conceptos básicos

Intensidad de empleo.- Intensidad que circula por un circuito o línea en condiciones normales

de utilización.

Intensidad admisible de un conductor.- Valor de la intensidad que circulando en un régimen

dado, determina una temperatura máxima en el conductor que no supera un valor especificado para este régimen.

Sobreintensidad.- Intensidad superior a la intensidad admisible o a la nominal. Sobrecarga.- Sobreintensidad que se produce en un circuito eléctricamente sano.

Se pueden clasificar en:

• Previsibles o momentáneas (arranque de motores asíncronos).

• No previsibles (averías en las cargas, sobreutilización de la instalación).

Producen temperaturas superiores a las admisibles en los elementos de las instalaciones y su envejecimiento prematuro.

Cortocircuito.- Sobreintensidad originada por un defecto de aislamiento de impedancia

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Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 3 de 26

Las causas más frecuentes de los cortocircuitos son:

• Fallos puntuales de aislamiento (entre partes activas o entre una parte activa y masa). • Defectos en las cargas conectadas (averías o conexiones incorrectas).

• Defectos en las conexiones de la instalación. Producen efectos térmicos y electrodinámicos.

Sobretensión.- Tensión superior a la nominal más su tolerancia.

Se pueden deber a las siguientes causas: • Descargas atmosféricas.

• Maniobras en las redes de transporte y distribución. • Maniobras en la instalación del usuario.

• Sobretensiones de servicio. Producen efectos perjudiciales como:

• Perforación de aislantes.

• Averías en equipos electrónicos.

• Averías en los receptores por sobrecargas.

1.2.- Normativa

Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión.-

ITC-BT-22. “Instalaciones interiores o receptoras. Protección contra sobreintensidades”. ITC-BT-23. “Instalaciones interiores o receptoras. Protección contra sobretensiones”.

Norma UNE 20 460, parte 4-43.- “Instalaciones eléctricas en edificios. Protección para

garantizar la seguridad. Protección contra las sobreintensidades”.

Norma UNE 20 460, parte 4-473.- “Instalaciones eléctricas en edificios. Protección para garantizar la seguridad. Aplicación de medidas de protección. Protección contra sobreintensidades”

2.- PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS

2.1.- Fundamento de la protección frente a sobrecargas

Conceptualmente, la condición para que un dispositivo de protección frente a sobrecargas proteja efectivamente un conductor es que, para todas las sobrecargas posibles, el dispositivo de protección actúe interrumpiendo la corriente del circuito antes de que alcance la temperatura admisible, es decir:

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Siendo:

tac tiempo que tarda en actuar la protección.

tcal tiempo de calentamiento del conductor o tiempo invertido en alcanzar la temperatura

admisible.

Para que la protección sea efectiva, la característica de disparo del dispositivo I-t debe estar por debajo de la característica I-tcal del conductor para todas las corrientes de sobrecarga posibles.

Para la protección frente a sobrecargas se utilizan los siguientes dispositivos: • Interruptor magnetotérmico.

• Interruptor automático con disparador directo de sobreintensidad de tiempo inverso o con disparador indirecto asociado a un relé térmico.

• Fusibles gG (o gL).

• Contactor combinado con relé térmico.

La condición teórica de protección frente a sobrecargas es difícil de aplicar en la práctica, por que normalmente no se conoce la característica I-t admisible de los conductores. La UNE 20 460, establece un criterio de muy fácil aplicación, para verificar la protección frente a sobrecargas.

Se considera que un dispositivo de protección protege de modo efectivo a un conductor si se verifican las dos condiciones siguientes:

Ib≤ In≤ Iz

I2≤ 1,45 Iz

La Norma IEC 947-2 impone las siguientes condiciones a los interruptores:

I2≤ 1,45 Iz el tiempo de disparo debe ser menor de 1 hora.

I2 = 1,30 Iz el tiempo de disparo debe ser menor de 2 horas.

3.- PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITOS

Un dispositivo de protección frente a cortocircuitos debe ser capaz de cortar todas las corrientes de cortocircuitos que se puedan producir en la parte de instalación que protege, antes de que ningún elemento del circuito sea dañado. Para ello deben cumplir dos condiciones:

I2 = intensidad convencional de funcionamiento

del dispositivo de protección. t

tca

tac

I2 Iz I I

Característica I-t admisible (conductor)

In

Característica I-t de disparo (dispositivo)

Iz= corriente admisible en el conductor

In= intensidad de ajuste del relé térmico

Ib

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♦ Criterio del poder de corte.

El poder de corte del dispositivo de protección debe ser mayor que la corriente de cortocircuito prevista en el punto donde está instalado. Vamos a particularizar esta condición para distintas instalaciones y aparatos de protección utilizados.

a) Componente simétrica de amplitud constante.

Poder de corte PC > I”k = Ik

b) Componente simétrica de amplitud variable (caso general).

b1) Dispositivos limitadores. Poder de corte PC > I”k

b2) Dispositivos no limitadores. Poder de corte PC > Isc

b3) Dispositivos retardados.

Poder de corte PC > Ik

♦ Criterio de tiempo de corte.

El dispositivo de protección debe cortar la corriente de cortocircuito antes de que la temperatura de los elementos del circuito supere la temperatura máxima admisible.

Dependiendo de la duración del cortocircuito, se tiene:

a) Cortocircuito de duración mayor de 0,1 segundo y menor de 5 segundos.

Se debe cumplir la condición:

tc≤ tad

b) Cortocircuito de duración inferior a 0,1 segundo.

La condición es:

(I2 t)Disp≤ (I2 t)Adm = (KS)2

Los dispositivos más utilizados para protección frente a cortocircuitos son: • Interruptor automático.

• Fusibles.

• Interruptor automático y fusible.

• Contactor combinado con fusible y relé térmico.

4.- CALCULO DE CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO EN INSTALACIONES BT

Antes de seleccionar los dispositivos de protección, es necesario conocer las corrientes originadas por posibles cortocircuitos en los distintos puntos de la instalación, en las condiciones más desfavorables.

4.1.- Parámetros característicos de las corrientes de cortocircuito

Para caracterizar esta corriente resulta útil descomponerla en suma de dos componentes:

a) Componente simétrica (alterna).- La componente simétrica, i∼(t), tiene una variación

senoidal en el tiempo, con una frecuencia igual a la de la red y una amplitud que decrece de forma exponencial, hasta estabilizarse en un valor √2 Ik.

b) Componente Asimétrica (unidireccional o continua).- Esta componente tiene una

evolución en el tiempo exponencial; en el instante en que se produce el cortocircuito (t=0) tiene su valor máximo, tendiendo hacia cero, valor en el que se estabiliza, después de algunos periodos.

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Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 6 de 26 La corriente de cortocircuito se caracteriza por los siguientes parámetros:

♦ Corriente de cortocircuito ik(t).- Es la corriente que circula por el punto donde se produce

el cortocircuito. Es una función que varia con el tiempo.

♦ Corrientes parciales de cortocircuito.- Son las corrientes de cortocircuito que circulan por las distintas partes de la instalación, que en el caso general de cortocircuitos alimentados desde varias fuentes, representa una porción de la corriente de cortocircuito.

♦ Corriente simétrica de cortocircuito i∼(t).- Es la componente alterna de la corriente de

cortocircuito.

♦ Corriente inicial simétrica de cortocircuito I”k.- Es el valor eficaz de la corriente

simétrica en el primer semiperiodo tras el cortocircuito.

Este es el parámetro fundamental en el cálculo de cortocircuitos, define el poder de corte de los dispositivos de protección limitadores y sirve de base para el cálculo de los restantes parámetros.

♦ Corriente máxima asimétrica de cortocircuito Is (corriente de cresta).- Es el valor

máximo instantáneo que puede alcanzar la corriente de cortocircuito.

♦ Corriente permanente de cortocircuito Ik.- Es el valor eficaz de la corriente de

cortocircuito (o de su componente alterna) una vez finalizados los fenómenos transitorios del cortocircuito.

♦ Corriente simétrica de corte Isc.- Este parámetro se refiere a interruptores automáticos o

magnetotérmicos y se define como el valor eficaz dela corriente simétrica que circula por el interruptor en el momento en que se inicia la separación de los contactos.

En los aparatos no limitadores, este parámetro es el que determina el poder de corte necesario. En el caso de interruptores limitadores, Isc es igual a la corriente inicial simétrica; en los

interruptores con disparo electromagnético retardado coincide con la corriente permanente de cortocircuito Ik.

♦ Potencia de cortocircuito para la corriente inicial simétrica S”k.- Se define por el

producto S”k = √3 U I”k, siendo U la tensión nominal de la red en el punto considerado.

i = CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO i∼ √2 I”k √2 Ik i + COMPONENTE SIMÉTRICA ia i t COMPONENTE ASIMÉTRICA

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Este parámetro se utiliza para tener en cuenta la limitación introducida en la corriente de cortocircuito por la impedancia de la red de media tensión.

4.2.- Tipos de cortocircuitos

a) Cortocircuito tripolar.- Se producen cuando en un punto de la instalación se unen las tres

fases mediante una impedancia despreciable.

El cortocircuito tripolar es el único que se considera cuando se diseñan las protecciones de la instalación, a pesar de ser el tipo de defecto menos frecuente, por ser el más desfavorable (salvo algunos casos especiales que se citan a continuación) y a la vez el más sencillo de analizar.

b) Cortocircuito bipolar sin contacto a tierra.- Cuando este defecto se produce en las

proximidades de un generador de potencia elevada (en relación con la potencia de la instalación), los valores de Isc e Ik pueden ser mayores que los correspondientes al cortocircuito

trifásico.

c) Cortocircuito bipolar con contacto a tierra.- Pueden dar valores de Isc e Ik mayores que el

cortocircuito trifásico en las mismas condiciones que el caso anterior.

d) Cortocircuito unipolar a tierra.- Es el tipo de defecto más frecuente en las instalaciones

eléctricas. En las instalaciones en baja tensión con esquema TN y transformador de conexión YZ, pueden producir corrientes hasta un 50% mayores que la del cortocircuito trifásico si el defecto es muy próximo a los bornes del transformador.

e) Doble defecto a tierra.- Este defecto puede producirse en instalaciones con esquema de

conexión IT, y da siempre corrientes menores que el cortocircuito trifásico.

4.3.- Cálculo de cortocircuitos tripolares alimentados exclusivamente desde la red

Consideramos en caso de instalaciones sencillas, en las que no existen grandes generadores o motores conectados a la instalación o en sus proximidades; la potencia de las máquinas eléctricas es mucho menor que la potencia del transformador. En la práctica suele considerarse despreciable la aportación de los motores al cortocircuito cuando su corriente nominal es menor que el 1% de la corriente inicial simétrica calculada sin considerarlos.

La evolución de la corriente de cortocircuito en este caso es más sencilla que en el caso general, ya que la amplitud de la componente simétrica es constante.

L1 L2 L3 I”k3 a L1 L2 L3 I”k1 d L1 L2 L3 I”k2 b L1 L2 L3 I”k2t c I”kt2t L1 L2 L3 I”ktt e I”ktt Corriente de cortocircuito Corrientes parciales de cortocircuito

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En estas condiciones, la corriente inicial simétrica, la corriente permanente de cortocircuito y la corriente simétrica de corte coinciden: I”k = Ik = Isc y el estudio de los cortocircuitos se

limita al cálculo de I”k = Ik.

Los cálculos expuestos en los siguientes apartados se refieren al cortocircuito tripolar.

4.3.1.- Cálculo de corriente inicial simétrica I”k

Cuando se considera la red como única fuente de la corriente de cortocircuito, el valor de la corriente inicial simétrica en el lado de BT viene dada por:

U Siendo:

I”k = ---; U tensión nominal secundaria del transformador.

√3 Zk Zk = (Rk + j Xk ) impedancia del circuito de defecto.

El problema del cálculo de I”k en los distintos puntos de la instalación se reduce al cálculo de

la impedancia de defecto en cada caso.

4.3.2.- Cálculo de corriente máxima asimétrica IS

El valor de IS se obtiene a partir de la corriente inicial simétrica calculada en el apartado

anterior, mediante la expresión:

Is = χ √2 I”k;

χ= Coeficiente que depende de la relación Rk/Xk, cuyo valor se obtiene de la curva:

A continuación se expone el método de cálculo de la impedancia de defecto en los distintos supuestos que pueden presentarse en el diseño de una instalación de baja con un única fuente de cortocircuito.

4.3.3.- Cortocircuito en bornes del transformador en una red de MT de potencia infinita

Al suponer la red de MT de potencia infinita, la tensión en bornes del transformador durante el cortocircuito es constante e igual a la nominal. Con esta hipótesis, la corriente de cortocircuito está limitada únicamente por la impedancia del transformador calculándose unos valores ligeramente mayores que los valores reales.

2.0 1.4 1.6 1.2 1.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 R/X χ

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El esquema de cálculo de la impedancia de defecto es: • Datos de partida:

Parámetros básicos del transformador:

◊ S Potencia nominal del transformador (KVA) ◊ U Tensión nominal secundaria (V)

◊ εRcc Componente resistiva de la tensión de cortocircuito, en %

◊ εXcc Componente inductiva de la tensión de cortocircuito, en %

• Cálculo de la impedancia de cortocircuito del transformador (en mΩ):

Ensayo de cortocircuito: Tensión aplicada: Ucc Corriente correspondiente: I1n

( )

n 2 n 1 cc n 1 n 1 2 n 1 n 1 cc n 1 n 1 2 n 1 n 1 cc n 1 n 1 n 1 cc n 1 cc cc S 100 U % U I 100 U 100 U U U I U U U U I U U I U Z = = = = = ε Si: U1n →(V), Sn →(KVA) ⇒

( )

= ε

( )

Ω × ε = m S 100 U % S 1000 100 U % Z n 2 n 1 cc n 2 n 1 cc cc

( )

_{( )}

_Ω ε = m S U 100 % R 2 Rcc cc

( )

_{( )}

_Ω ε = m S U 100 % X 2 Xcc cc

( )

Ω + = R X m Z 2 cc 2 cc cc

• Cálculo de la impedancia de defecto:

Zk = Zcc, Rk = Rcc, Xk = Xcc

I”k e Is se obtienen de sus expresiones; en este caso I”k puede también calcularse mediante la

expresión:

Ensayo de cortocircuito: Accidente de cortocircuito:

Tensión aplicada: Ucc Tensión aplicada: U1

Corriente correspondiente: I1n Corriente correspondiente: Icc

cc 1 1 cc cc I U I U Z = = , ₁ cc 1 cc I U U I = , Como: 100 U U 1 cc cc = ε , cc n 1 cc I 100 I ε =

( )

% I 100 I cc n "

k = _ε Siendo: In Corriente nominal del transformador

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Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 10 de 26 4.3.4.- Cortocircuito en bornes del transformador considerando la limitación producida por la red de MT

Cuando se produce un cortocircuito en bornes del transformador, la corriente que circula por la línea de MT que lo alimenta es mayor que en condiciones normales de utilización la caída de tensión en esta línea será mayor por lo que la tensión aplicada al transformador durante el cortocircuito es ligeramente menor que la nominal.

La corriente de cortocircuito está limitada por la impedancia da la línea y la del transformador. La impedancia de la línea se estima a partir de la potencia de cortocircuito de la red S”k; este

dato debe ser facilitado por la compañía distribuidora, aunque su valor está muy normalizado. El esquema de cálculo de la impedancia de defecto es:

• Datos de partida:

Parámetros básicos del transformador: ◊ Los mismos que en el apartado anterior Parámetros de la red:

◊ S”k Potencia de cortocircuito de la red (MVA)

• Cálculo de resistencia (Rcc ), reactancia (Xcc) e impedancia (Zcc) del transformador (mΩ):

◊ Según las expresiones del apartado anterior

• Cálculo de la impedancia (ZL), reactancia (XL) y resistencia (RL) de la línea de distribución,

referidas al secundario del transformador (en mΩ):

( )

Ω = m S 1000 U 1 , 1 Z _" k 2 L XL = 0,995 ZL (mΩ) RL = 0,1 XL (mΩ)

• Cálculo de la impedancia de defecto:

Rk = RL + Rcc, Xk = XL + Xcc,

(

) (

)

2 cc L 2 cc L k R R X X Z = + + + (mΩ)

I”k e Is se obtienen de sus expresiones; a partir de la impedancia de defecto.

4.3.5.- Cortocircuito en un punto alejado del transformador

En este caso la corriente de cortocircuito está limitada por la red, el transformador y los elementos de la instalación que recorre (cables, embarrados y conexiones). No obstante, en la práctica, solo se consideran las impedancias de los cables y del transformador.

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Las resistencias de las líneas pueden estimarse mediante:

(

m (

)

s n l 1000 R i i i i Ω ρ =

Donde: li ≡ es la longitud de la línea en metros

ni ≡ número de conductores en paralelo por fase

si ≡ sección de un conductor, en mm2

ρ ≡ resistividad del conductor, en Ω mm2_/m

ρCu = 1/58 Ω mm2/m para el Cobre

ρAl = 1/35 Ω mm2/m para el Aluminio

Las reactancias de las líneas viene dado por:

Xi = x`i li/1000 (mΩ); x`i reactancia por Km línea.

Depende de la disposición de los conductores. Suelen adoptarse los siguientes valores característicos, en función del tipo de línea: ♦ Cables tripolares:

x`i ≅ 80 mΩ/Km

♦ Ternos de cables tendidos paralelamente, barras de distribución: x`i ≅ 130 mΩ/Km

♦ Líneas aéreas:

x`i ≅ 330 mΩ/Km

5.-SELECCIÓN DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS 5.1.- Protección mediante interruptor automático

Es necesario calcular las corrientes de cortocircuito previstas en origen de la línea Icc,máx y en

su extremo Icc,min; las condiciones que debe cumplir el interruptor automático o

magnetotérmico para que la línea esté protegida efectivamente, según la Norma UNE 20 460, son:

a) Poder de corte del interruptor automático, P.C. > Icc,máx

b) Icc,min> Ia; Ia intensidad de regulación del disparador electromagnético.

c) Icc,máx< Ib; Ib; intensidad que corresponde al (I2t)adm del conductor medida

sobre la

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La condición b) significa que todos los posibles cortocircuitos en la línea protegida por el I.A. deben producir la actuación del disparador electromagnético.

Con la condición c) se garantiza que para la máxima corriente de cortocircuito posible, la temperatura del cable no alcanza el valor máximo admisible.

5.2.- Protección mediante fusibles

En las líneas protegidas mediante fusible, según la Norma UNE 20 460, la protección frente a cortocircuitos de la línea está garantizada si se cumplen las siguientes condiciones:

a) Poder de corte del fusible, P.C. > Icc,máx

b) Icc,min> Ia;

c) Icc,máx< Ib; Ib; intensidad que corresponde al (I2t)adm del conductor medida

sobre la

característica de I2t del fusible.

5.3.- Protección mediante combinación fusible-interruptor automático

El precio de los interruptores automáticos aumenta considerablemente con el poder de corte, a igualdad de las restantes características; la combinación fusible-interruptor automático, permite utilizar interruptores automáticos con poder de corte moderado en partes de la instalación con elevadas corrientes de cortocircuito, reduciéndose con ello el coste de la instalación.

Con la combinación fusible-interruptor automático, se pretende que el I.A. despeje todas las sobreintensidades menores que su poder de corte Ic produciéndose la fusión del fusible

únicamente con cortocircuitos mayores que Ic. La intersección de las características I-t de los

dos dispositivos debe producirse en un punto cuya corriente Ii sea algo menor que el poder de

corte del I.A.

I2 t I2 t adm Característica (I2 t) I.A. Iccmax Ib I t (I/t) I.A. Ia IccminIccmax Poder de corte I Iccmin Iccmax

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Además, se debe comprobar que el I.A. y el fusible seleccionados cumplen con los criterios de protección particulares en el rango de corrientes de cortocircuito en el que actúa cada uno; para el interruptor automático se considera Icc,máx = Ii mientras que para el fusible se tomará Icc,min <

Ii.

El interruptor automático no cumple con el criterio de poder de corte, pero se garantiza que está protegido de forma efectiva por el fusible cuando se producen cortocircuitos mayores que su poder de corte. Esta condición se cumple si se verifican las siguientes relaciones:

a) Is,adm,IA> Is,F

b) (I2t)adm,IA> (I2t)F

Donde:

Is,adm,IA corriente máxima asimétrica admisible por el I.A.

Is,F corriente de cresta limitada por el fusible, para el cortocircuito máximo

(I2t)adm,IA es el I2t admisible por el interruptor automático

(I2t)F es el valor del I2t limitado por el fusible

5.4.- Protección mediante combinación fusible-relé térmico-contactor

La combinación fusible-relé térmico-contactor se utiliza en las líneas que alimentan motores. El dispositivo de corte es normalmente un contactor.

El contactor, asociado con el relé térmico realiza la función de protección frente a sobrecargas. Los fusibles deben proteger todos los cortocircuitos, ya que su poder de corte es muy limitado. La Figura representa las condiciones que deben cumplir las características I-t del relé térmico y del fusible para que el funcionamiento del sistema sea correcto:

Las características deben cortarse para una corriente algo menor que el poder de corte del contactor.

Hay que comprobar que el punto que representa las condiciones de arranque del motor (Iarr,

tarr), está por debajo de la característica del fusible seleccionado, ya que en caso contrario se

produciría su fusión durante la puesta en marcha.

En este caso para comprobar que la línea está correctamente protegida contra cortocircuitos, hay que verificar que los fusibles seleccionados cumplan con los criterios expuestos para los fusibles.

Además, hay que comprobar que tanto el contactor como el relé térmico están protegidos por los fusibles.

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Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 14 de 26 6.- PROTECCIÓN FRENTE A SOBRETENSIONES

6.1.- Sistemas de protección frente a las sobretensiones 6.1.1.- Protección frente a sobretensiones transitorias

Se realiza mediante “Limitadores de sobretensión”, llamados también pararrayos, supresores o autoválvulas, conectados entre las partes activas del elemento a proteger y tierra. El limitor presenta una impedancia muy elevada, derivándose a tierra una corriente de fuga muy pequeña Para proteger eficazmente una instalación o aparato de tensión nominal Un y rigidez dieléctrica Uais, se deben cumplir las siguientes condiciones:

a) Un < U0 < Uais Un tensión nominal; Uais rigidez dieléctrica b) Ur < Uais; U0 valor umbral; Ur tensión residual

La condición b) es muy difícil de garantizar, puesto que la tensión residual depende en gran medida de las características de la sobretensión, aspecto que se desconoce cuando se selecciona el limitador.

En la actualidad no se dispone de un método sistemático universalmente aceptado para seleccionar los limitadores de sobretensión, la selección se realiza partiendo de indicaciones del fabricante basadas en la experiencia.

6.1.2.- Protección frente a sobretensiones de servicio

La protección contra este tipo de sobretensiones se realiza mediante relés de sobretensión, que vigilan la tensión entre fases o entre fases y el neutro. Cuando el valor eficaz de la tensión vigilada supera un valor previamente ajustado, durante un cierto tiempo, el relé actúa, provocando la apertura de un interruptor automático a través del correspondiente disparador, desconectando la parte de la instalación o equipo protegido.

M Fusible Contactor Relé térmico t Arranque motor tarr Iarr Poder de corte del contactor I Característica (I/t) Relé

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Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 15 de 26 DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA

Durante la explotación de cualquier instalación eléctrica suelen producirse averías u otras circunstancias que determinan que las corrientes en la instalación o en parte de ella sean mayores que en condiciones normales de funcionamiento y en ese caso es necesario que actúen los sistemas de protección.

El cortocircuito es una de las mayores preocupaciones, tanto para el responsable de la explotación de una red eléctrica, por las consecuencias a menudo catastróficas, como para el proyectista de la misma, porque condiciona la tecnología a adoptar y consecuentemente, el coste de la instalación.

La práctica consiste en la selección de los dispositivos de protección de las instalaciones de baja tensión contra sobrecargas y cortocircuito.

A partir de un ejemplo de una instalación eléctrica de Baja Tensión se calculan las corrientes de cortocircuito en los puntos de instalación de los dispositivos de protección, ya que estos deben ser capaces de cortar todas las corrientes de cortocircuito que puedan producirse en la parte de la instalación que protegen, antes de que ningún elemento del circuito resulte dañado. Una vez conocidas las corrientes de cortocircuito, se procede a la selección de los dispositivos de protección para la instalación del ejemplo. Para ello comenzamos por elegir un material comercial, que en este caso, es de la firma ABB-Metrón y utilizamos su Guía de Selección de

Aparamenta de Baja Tensión.

Comenzaremos por la selección del interruptor automático general (secundario del transformador), calculando la corriente nominal que aportará el transformador, de acuerdo con sus características, y la corriente de cortocircuito estimada, según las tablas de la Guía de

Selección de Aparamenta de Baja Tensión. La corriente de cortocircuito estimada, debe ser superior a la obtenida en el cálculo práctico realizado previamente.

A continuación se seleccionará el interruptor automático de protección a las derivaciones de los motores, teniendo en cuenta las condiciones de instalación del cable de alimentación.

Por último se elegirá el tipo de protección del motor, teniendo en cuenta sus características y se comprobará que la curva tiempo-corriente de la corriente absorbida por el motor, durante el arranque directo está por debajo de las curvas correspondientes a los relés magnético y térmico del dispositivo de protección.

EQUIPO NECESARIO

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Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 16 de 26 REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA

Esquema de montaje

Una red de 20 KV alimenta, por una línea aérea de 2 Km, las barras de una estación de MT-BT. En paralelo un alternador de 1 MVA alimenta a estas barras. Dos transformadores de 1000 KVA, en paralelo, están conectados sobre las barras de BT, de donde parten las derivaciones. Una de las derivaciones es un motor M conectado a través de un cable de 200 m. Se tiene en total 20 motores de 50 KW, conectados por cables idénticos y todos en servicio en el momento de producirse el defecto. IccB = 43,8 KA I”ccB = 94 KA ∼ 500 MVA 20 KV Red Línea aérea 2 Km S = 50 mm2_Cu Alternador 1 MVA Zsub = 15% A 20 KV 1000 KVA e = 5% 20/237-410 IccA = 6,5 KA I”ccA = 11 A 380 V Juego de barras _B l = 10 m S = 1200 mm2 C IccC = 7,9 KA I”ccC = 11,67 KA Cable tripolar l = 200m S = 95 mm2 M 50 KW e = 25%

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Desarrollo de la práctica

1.- Selección del interruptor automático general (secundario del transformador)

Según el Apartado 2.1 Pág. 2/2, del catálogo ABB Metrón-Guía Selección Aparamenta BT, los valores de la corriente de cortocircuito aguas debajo de un transformador MT/BT resumidos en la Tabla 2/1 – Corrientes de cortocircuito aguas abajo del transformador con

U2n = 380 V, se han calculado de forma conservadora, teniendo en cuenta una potencia de cortocircuito en el lado de MT de valor infinito, así como un valor de impedancia despreciables para los conductores que conectan los bornes de BT del transformador con el interruptor automático general. Los valores reales de corriente de cortocircuito son ligeramente inferiores.

En Tabla 2/1 Pág. 2/2, del catálogo ABB Metrón-Guía Selección Aparamenta BT, obtenemos los siguientes datos:

Potencia del transformador (KVA) Ucc % In (A) Icc (kA)

1000

Cálculo de la corriente asignada del secundario del transformador para una tensión 380 V

Cálculo de la corriente de cortocircuito del transformador para una tensión 380 V

En Tabla 2/2 Pág. 2/2, del catálogo ABB Metrón-Guía Selección Aparamenta BT, obtenemos el factor de corrección “K”, para tensiones U2n distintas de 380 V. En nuestro caso 410V.

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Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 18 de 26 Según el Apartado 2.2 Pág. 2/3, del catálogo ABB Metrón-Guía Selección Aparamenta BT, los parámetros básicos necesarios para la selección de interruptores automáticos de protección son:

• La corriente asignada del secundario de los transformadores para el interruptor automático general y la corriente asignada a las cargas para los interruptores automáticos de las salidas. • La corriente máxima de cortocircuito en el punto de la instalación, la cual debe ser menor o

igual que el poder de corte del interruptor automático.

Cuando exista más de un transformador en paralelo, los interruptores automáticos de las líneas de alimentación de entrada, deben tener un poder de corte de Icc (n-1), siendo Icc la corriente de

cortocircuito aguas abajo de cada transformador, mientras que los interruptores automáticos situados en las salidas deben tener un poder de corte de Icc n, donde n indica el número de

transformadores en paralelo.

En Tabla 2/3 Pág. 2/4 - 2/5, del catálogo ABB Metrón-Guía Selección Aparamenta BT, podemos identificar el interruptor automático general más idóneo para el uso necesario, según el número y potencia de los transformadores instalados, y posteriormente, los interruptores automáticos para las salidas según el número y potencia de los transformadores instalados en paralelo y según la corriente requerida por las distintas cargas.

Todo esto se realiza garantizando una selectividad total entre los interruptores automáticos generales y los situados en las líneas de salida.

Es importante tener en presente que para acoplar más de un transformador en paralelo, es preciso cumplir las siguientes condiciones:

A Icc 1 IccA A Icc 2 IccA B IccB A Icc 3 IccA B IccB

n = Número de transformadores (en este caso n = 3) IccA = Icc x (n-1) = 2 x Icc

IccB = Icc x n = 3 x Icc

Icc = Corriente de cortocircuito aguas abajo de cada transformador

(19)

9 Idéntica relación de transformación 9 Iguales tensiones de cortocircuito

9 Los devanados deben pertenecer al mismo grupo de conexión En el caso de dos transformadores en paralelo, tenemos:

Interruptores de alimentación (A)

Interruptores de salidas (B)

Si comparamos estos valores con los obtenidos en el cálculo real:

En Tabla 2/3 Pág. 2/4, del catálogo ABB Metrón-Guía Selección Aparamenta BT, para dos transformadores en paralelo de 1000 kVA, con una corriente asignada de 1443 A (a 380 V) por cada transformador y una corriente de cortocircuito estimada de 28,9 kA de cada transformador, el interruptor automático aconsejado es:

Modelo Tipo

Interruptor automático general

Características del interruptor de alimentación (Pág. 6/8 Guía Selección Aparamenta BT):

Interruptor automático selectivo

♦ Nº de polos: ♦ Ejecución:

- terminales:

♦ Tensión de empleo asignada:

♦ Corriente asignada permanente (Iu) 45 ºC:

♦ Poder asignado corte último en cortocircuito: ♦ Relés:

- Tipo:

Si comparamos los dos parámetros básicos necesarios para la selección de interruptores

(20)

Características del relé (Pág. 6/18 Guía Selección Aparamenta BT):

Relé

♦ Tipo: ♦ Función:

♦ Corriente asignada desde 250 A hasta 2500 A:

Comprobación si este relé es apto para nuestra red:

Comprobamos las dos condiciones sobre el tiempo de disparo del relé:

Norma IEC 947-2 Pág. 7/2 de la Guía Selección Aparamenta BT

Sobre la gráfica del tiempo de disparo del relé frente a veces la intensidad nominal: (Pág. 6/18 de la Guía Selección Aparamenta BT).

(21)

Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 21 de 26 2.- Selección del interruptor automático de protección a las derivaciones de los motores

Cálculo de intensidades máximas admisibles en conductores Derivaciones de alimentación a los motores

∗ Cable tripolar de 95 mm2_{Cu, con aislante de PVC}

∗ Condiciones de montaje: ◊ Instalado al aire

◊ En contacto entre si y tendidos sobre dos bandejas perforadas ◊ Temperatura ambiente 25 ºC

Dentro de los comercialmente disponibles elegimos un cable Plastigrón VV-0,6/1 kV

De acuerdo con el Catálogo del fabricante:

⇒ Intensidad admisible en A para cables aislados al aire t = 40 ºC (servicio permanente):

CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS INTENSIDAD ADMISIBLE

(A)

S = 95 mm2_{Cu tripolar, aislamiento PVC}

⇒ Factores de corrección:

∗ Cable aislado con PVC al aire tendido sobre dos bandejas perforadas ∗ Corrección en función de la temperatura ambiente a 25 ºC

CONDICIONES DE MONTAJE FACTORES DE CORRECCIÓN

Cable aislado al aire tendido sobre bandeja perforada Kband

Corrección en función de la temperatura ambiente Kθº

La intensidad máxima admisible del cable teniendo en cuenta las condiciones de montaje será:

Iz = Iad Kband Kθº =

Los parámetros básicos necesarios para la selección de interruptores automáticos de protección son:

- Corriente máxima admisible del cable: IZ =

- Corriente máxima de cortocircuito en B: IccB = 43,8 kA (Calculados)

IccB = kA (Estimados)

En la Pág. 6/4 y 6/5, del catálogo ABB Metrón-Guía Selección Aparamenta BT, elegimos un interruptor automático:

Modelo Tipo

(22)

Características del interruptor de las salidas (Pág. 6/4 Guía Selección Aparamenta BT):

Interruptor automático

♦ Nº de polos: ♦ Ejecución:

- terminales:

♦ Tensión de empleo asignada:

♦ Corriente asignada permanente (Iu) 45 ºC:

♦ Poder asignado corte último en cortocircuito: ♦ Relés:

- Tipo:

Si comparamos los dos parámetros básicos necesarios para la selección de interruptores

automáticos de protección:

Características del relé (Pág. 6/12 Guía Selección Aparamenta BT):

Relé

♦ Tipo: ♦ Función:

♦ Corriente asignada 100/160/250:

Comprobación si este relé es apto para nuestra red:

Comprobamos las dos condiciones sobre el tiempo de disparo del relé:

(23)

Sobre la gráfica del tiempo de disparo del relé frente a veces la intensidad nominal: (Pág. 6/12 de la Guía Selección Aparamenta BT).

Energía pasante I2 t (Protección de conductores contra cortocircuitos)

Se cumplen todas las condiciones para poder utilizar el interruptor automático:

Modelo Tipo

Interruptor automático salidas

Tipo Función Factor de ajuste

(24)

Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 24 de 26 3.- Selección del interruptor automático de protección del motor

En la Pág. 17/4 de la Guía Selección Aparamenta BT, seleccionamos el esquema de

“Maniobra y protección de motores” a utilizar. Seleccionamos el esquema B.

Esquema B

El interruptor automático, equipado con el relé magnetotérmico, asume las dos funciones de protección contra sobrecargas y cortocircuitos, del circuito aguas abajo, que incluye el cable, el contactor y el motor.

La maniobra del motor es realizada por el contactor.

En la Tabla 17/6 de la Pág. 17/32 de la Guía Selección Aparamenta BT, el fabricante nos proporciona una lista donde nos aconsejan los dispositivos para cada tipo de motor, a una tensión de 400 V.

Características del arrancador con interruptor automático-contactor (Pág. 17/32 Guía Selección Aparamenta BT):

PROTECCIÓN DEL MOTOR

Mediante interruptor automático-contactor

Características INTERRUPTOR RELÉ CONTACTOR

Modelo: Tipo: Corriente asignada: Poder de corte: M Dispositivo de protección Contactor R125 LN 200 EH160

(25)

Curva “tiempo-corriente” de corriente absorbida por el motor durante el arranque directo

Pág. 17/3 de la Guía Selección Aparamenta BT.

In = Corriente nominal del motor

Ia = Valor inicial de la corriente transitoria

de arranque.

Ip = Valor máximo instantáneo de la

corriente de arranque subtransitoria. ta = Tiempo de arranque.

ts = Duración de la fase subtransitoria.

Las curvas correspondientes a los relés magnéticos y térmicos deben quedar por encima de la curva de arranque. Si se dan puntos de corte, se podría producir el disparo antes de que el motor pase al régimen estacionario.

Las curvas magnética y térmica no deben quedar muy elevadas con respecto a la de arranque, al contrario deben estar muy próximas para que el motor esté bien protegido.

t(s) I (A) In ta ts Ia Ip

Arranque del motor

(26)

Departamento de Ingeniería Eléctrica – E.T.S.I.I. Página 26 de 26 RESULTADOS

DIMENSIONADO DE PROTECCIONES DE BAJA TENSIÓN INTERRUPTOR AUTOMÁTICO GENERAL

Modelo: Tipo: Características: Nº de polos: Ejecución: terminales

Tensión de empleo asignada:

Corriente asignada permanente (Iu) 45 ºC:

Poder asignado corte último en cortocircuito: Relés electrónicos con microprocesador:

Función:

Factor de ajuste:

INTERRUPTOR AUTOMÁTICO DERIVACIONES A MOTORES

Modelo: Tipo: Características: Nº de polos: Ejecución: terminales

Tensión de empleo asignada:

Corriente asignada permanente (Iu) 45 ºC:

Poder asignado corte último en cortocircuito: Relés electrónicos con microprocesador:

Función:

Factor de ajuste: PROTECCIÓN DEL MOTOR

Características INTERRUPTOR RELÉ CONTACTOR

Modelo:

Tipo:

Corriente asignada:

Poder de corte:

ANEXO