Reducción y/o mitigación de los efectos de cortocircuitos en la textilera “Desembarco del Granma”

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(1)Departamento de Electroenergética. Título: Reducción y/o mitigación de los efectos de cortocircuitos en la Textilera “Desembarco del Granma”. Autor: Edna Alexandra Miluca Perestrelo. Tutor: M.Sc Emilio Francesena Bacallao.. Junio 2018.

(2) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) DEDICATORIA Dedico este trabajo a mi madre Amália Virgínia Baptista Miluca, mis hermanitos Cláudia Gracieth y Marcelo, a mi novio Estelvino Correira, y a mi madrina Edna Gerónimo que, con sus oraciones, confianza, consejos, y apoyo incondicional me permitieron culminar mis estudios..

(4) AGRADECIMIENTO El agradecimiento es un sentimiento o actitud de reconocimiento de un beneficio que se ha recibido o recibirá. Agradezco primeramente a Dios por la vida, las bendiciones y por las fuerzas para seguir adelante sin desistir en aquellos momentos de debilidad, a mi familia por su apoyo incondicional durante todo mi recorrido estudiantil, y por enseñarme que la constancia y sacrificio tienen en algún momento recompensa, a mis amigos por compartir los momentos buenos y difíciles, a mis compañeros de carrera que siempre estuvieron ahí para lo que yo necesitaba, sin olvidar a mi tutor MSc. Ing. Emilio Francesena Bacallao por la paciencia y todo el apoyo brindado para poder culminar este objetivo. A todos aquellos que directa o indirectamente me ayudaron en este camino, MUCHAS GRACIAS..

(5) RESUMEN En el presente trabajo se analizan las medidas para reducir las corrientes de cortocircuito o mitigar los efectos de las mismas sobre los elementos del sistema, fundamentalmente sobre los interruptores que están instalados en la actualidad en la Empresa Textil “Desembarco del Granma”. Para eso se actualiza previamente el diagrama monolineal de la industria en el software IPA, acorde a los escenarios de operación posibles, se realiza un estudio de cortocircuito máximo donde se observa que los interruptores de media tensión soportan las altas corrientes de cortocircuito, y que existen un gran número de interruptores en 0.48kV mal seleccionados en el estado en que trabaja o puede trabajar la industria en un futuro cercano con la inclusión de la cogeneración, debido a que su capacidad interruptiva y momentánea está por debajo de las corrientes de cortocircuito máximas a las que pudieran enfrentarse. Se seleccionó el escenario de operación más crítico en cuanto a interruptores fallados y se proponen distintas medidas de sustitución, reducción de los niveles de cortocircuitos en los mismos o mitigación de sus efectos, se realiza la simulación de dichas medidas en el propio software para comprobar su efectividad. Se llega a conclusiones importantes por su implicación sobre la seguridad de operación del sistema eléctrico en la fábrica y se emiten recomendaciones sobre las medidas necesarias a ser aplicadas hoy en la industria, según su nivel de complejidad técnica y posible inversión. Palabras Claves: interruptores, cortocircuito, capacidad interruptiva..

(6) ÍNDICE RESUMEN .............................................................................................................................................. 5 ÍNDICE .................................................................................................................................................... 6 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO Y SU EFECTO SOBRE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA ELÉCTRICO. SU LIMITACIÓN Y MEDIOS PARA MITIGAR SUS EFECTOS .................................................................................................................... 4 1.1. Introducción.......................................................................................................................... 4. 1.2. Corrientes de cortocircuito............................................................................................... 5. 1.2.1. Definición....................................................................................................................... 5. 1.2.2. Causas que lo originan .............................................................................................. 5. 1.2.3. Efecto sobre los componentes del sistema eléctrico ....................................... 5. 1.2.4. Otras consecuencias .................................................................................................. 6. 1.2.5. Clasificación de los cortocircuitos ......................................................................... 6. 1.2.6. Fuentes generadoras de corriente de cortocircuito .......................................... 7. 1.3. 1.2.6.1. Sistema de suministro ....................................................................................... 7. 1.2.6.2. Generadores ......................................................................................................... 7. 1.2.6.3. Motores síncronos .............................................................................................. 8. 1.2.6.4. Motores de inducción......................................................................................... 8. Limitación de la corriente de cortocircuito y medios para mitigar sus efectos . 9. 1.3.1. División o seccionalización de las redes .............................................................. 9. 1.3.2. Reemplazo de interruptores ................................................................................... 10. 1.3.3. Fusibles limitadores de corriente ......................................................................... 11. 1.3.3.1. Fusibles en general........................................................................................... 11. 1.3.3.2. Característica de los fusibles......................................................................... 11. 1.3.3.3. Según su utilización ......................................................................................... 12. 1.3.3.4. Según su operación .......................................................................................... 12.

(7) ÍNDICE. 1.3.3.5. Funcionamiento ................................................................................................. 13. 1.3.3.6. Clases de fusible ............................................................................................... 14. 1.3.3.7. Curvas tiempo-corriente .................................................................................. 18. 1.3.3.8. Curvas de energía de fusión I2t ..................................................................... 19. 1.3.3.9. Aplicaciones del fusible limitador de corriente de falla .......................... 21 Limitadores de corrientes superconductores (SFCL) ................................. 21. 1.3.4 1.3.4.1. Limitador con un elemento de derivación resistiva ................................. 21. 1.3.4.2. Limitador con un elemento de derivación inductiva ............................... 22. 1.3.5. Reactores limitadores de corriente ...................................................................... 22. 1.3.6. Filiación........................................................................................................................ 24. 1.3.6.1. Área de aplicación............................................................................................. 25. 1.3.6.2. Principios............................................................................................................. 25. 1.3.6.3. Técnicas de implementación.......................................................................... 26. 1.3.6.4. Ventajas ............................................................................................................... 27. CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE OPERACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA UEB TEXTIL “DESEMBARCO DEL GRANMA”, INTERRUPTORES AFECTADOS POR CAPACIDAD INTERRUPTIVA ......................................................................................................... 28 2.1. Descripción del sistema eléctrico de la empresa. .................................................... 28. 2.2. Actualización del monolineal de la Textilera “Desembarco del Granma”. ........ 30. 2.3 Escenarios de operación del sistema eléctrico de la Textilera “Desembarco del Granma”........................................................................................................................................... 32 2.4. Chequeo de interruptores en media tensión ............................................................. 32. 2.5. Chequeo de interruptores en baja tensión ................................................................. 33. CAPÍTULO 3. MEDIDAS PARA REDUCIR O MITIGAR EL EFECTO DE LOS CORTOCIRCUITOS. SU VALORACIÓN ........................................................................................ 40 3.1. Introducción........................................................................................................................ 40. 3.2. Reemplazo de interruptores ........................................................................................... 40. 3.3. División o seccionalización de las rede ...................................................................... 44. 3.4. Reactores limitadores de corriente .............................................................................. 56. 3.5. Fusible limitador de corriente ........................................................................................ 76.

(8) ÍNDICE. 3.6. Filiación................................................................................................................................ 80. CONCLUSIONES................................................................................................................................ 85 RECOMENDACIONES ...................................................................................................................... 86 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................... 87 ANEXOS ............................................................................................................................................... 89.

(9) INTRODUCCIÓN La UEB Textil Desembarco del Granma surge en su concepción inicial en 1979 con tecnología japonesa y se diseña, para producir 60 millones de metros de tejido plano. Durante la etapa del período especial se ve prácticamente detenido todo su proceso productivo y con el consiguiente deterioro de sus escenarios energéticos. Actualmente se ha reactivado y consta de 3 plantas productivas (Hilo de Coser, Tejeduría y Acabado), y una Planta de Servicio (PSI). Consume en la actualidad aproximadamente 180 t de vapor al día, generado con calderas con más de 30 años de explotación y baja eficiencia. El consumo de electricidad promedio es de 8 000 MW.h/año y 4 000 t de fuel oíl. Existen planes de recuperar la planta de Acabado con nuevas máquinas, lo que llevaría el consumo de vapor a cerca de 30 t/h con 7 000 t de fuel oíl al año. El consumo eléctrico ascendería a 12 000 MW.h al año. En este caso resulta sumamente atrayente la evaluación de un proyecto de cogeneración de calor y electricidad debido a la simultaneidad de las demandas, la estabilidad de las mismas y la proyección de operar más de 3 800 horas al año. El mismo pudiera estar disminuyendo el consumo de la red eléctrica en unos 7 000 MW.h al año lo que significaría incluso una reducción del consumo con respecto al actual. Es en este punto se le solicitó al Centro de Estudio Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA) y al Centro de Estudios Electroenergéticos (CEE) de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas el año pasado, analizar la inclusión de la cogeneración, de forma tal que se obtengan los mayores beneficios energéticos y financieros posibles considerando las necesidades tecnológicas, así como su influencia en la instalación ya existente; así, entre otras cosas chequear los desconectivos nuevos y los ya existentes por las normativas actuales y disponer de una base de datos, que permita incorporar nuevos análisis y posibles estudios para la ubicación más factible del nuevo nodo de generación, los resultados de dicho estudio arrojaron que en todos los escenarios actuales de operación del sistema de suministro eléctrico a la fábrica, se presenta un número considerable de interruptores fundamentalmente de las barras de 0.48kV que no tienen la capacidad interruptiva necesaria para una desconexión segura de las altas corrientes de cortocircuito estimadas, situación alarmante y peligrosa para el correcto funcionamiento actual y futuro de la industria. Por lo que se plantea por parte de la dirección de dicha empresa, que el CEE realice un proyecto de medidas encaminadas a reducir dichas corrientes de cortocircuito o mitigar los efectos de las mismas sobre los elementos del sistema, fundamentalmente sobre los interruptores encargados de aislar dichas fallas que están instalados en la actualidad en la empresa.. 1.

(10) INTRODUCCIÓN. A partir de estos antecedentes se convierte en propósito esencial de esta investigación la solución del siguiente problema científico: ¿Cuáles son las medidas para reducir o mitigar los efectos de las altas corrientes de cortocircuito para lograr un suministro eléctrico seguro en el esquema actual y futuro en la UEB Textil “Desembarco del Granma”? Para dar respuesta a esta interrogante se plantea como objetivo general el siguiente: Exponer posibles acciones para reducir o mitigar los efectos sobre interruptores afectados por altas corrientes de cortocircuito en la Textilera “Desembarco del Granma”. A partir de ello, se desglosan como objetivos específicos los siguientes: 1. Fundamentar teóricamente las maneras de reducir los niveles de cortocircuitos y/o formas de aminorar el efecto de estas fallas sobre los elementos de un sistema de suministro eléctrico. 2. Seleccionar las posibles medidas para la reducción las corrientes de cortocircuito en la fábrica o mitigar sus efectos adversos sobre el sistema. 3. Valorar la implementación de dichas medidas desde el punto de vista técnico en los distintos modos de operación del sistema actual. 4. Comparar las acciones a realizar desde el punto de vista de su efectividad y medios necesarios para su implementación. Tarea Técnica 1. Revisión de la literatura actual sobre las maneras de reducir los niveles de cortocircuitos y/o formas de aminorar el efecto de estas fallas sobre los elementos de un sistema de suministro eléctrico. 2. Implementar medidas para la reducción las corrientes de cortocircuito en la fábrica o mitigar sus efectos perjudiciales sobre el sistema. 3. Demostrar la factibilidad de implementación de dichas medidas en el sistema actual, con el uso de paquetes de software apropiados para su análisis en los distintos escenarios de operación. 4. Comparar las medidas propuestas en cuanto a resultados técnicos esperados y la inversión necesaria para llevarlas a cabo en la fábrica.. El Desarrollo del trabajo se dispone de tres capítulos.. 2.

(11) INTRODUCCIÓN. En el Capítulo 1 se muestra la base teórica sobre las corrientes de cortocircuito, su efecto sobre los componentes del sistema eléctrico y los medios para limitar o mitigar sus efectos. En el Capítulo 2 se definen los escenarios de operación del sistema eléctrico de la UEB Textil “Desembarco del Granma”, los interruptores afectados por capacidad interruptiva y su condición más crítica. En el Capítulo 3 se ejecutan las simulaciones de los distintos escenarios para obtener los valores de cortocircuito aplicando las medidas para reducir o mitigar el efecto de los cortocircuitos. Finalmente, se exponen las Conclusiones a que se llega y se emiten las Recomendaciones.. 3.

(12) CAPÍTULO 1. CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO Y SU EFECTO SOBRE LOS COMPONENTES DEL SISTEMA ELÉCTRICO. SU LIMITACIÓN Y MEDIOS PARA MITIGAR SUS EFECTOS 1.1 Introducción Los sistemas eléctricos están diseñados para suministrar en forma continua la energía eléctrica a los equipos o dispositivos que deben ser alimentados, por lo que la confiabilidad del servicio es un aspecto que resulta muy importante. El gran riesgo de estos servicios, está en que el flujo de corriente tenga un valor mayor que el esperado de corriente que debe circular por el mismo. Los cortocircuitos son los procesos más intensos que ocurren en los sistemas eléctricos y en los equipos en general. Es a consecuencia de las ampliaciones y modiﬁcaciones del sistema, donde los ingenieros a cargo del mantenimiento adquieren responsabilidad, de hacer el reemplazo de interruptores o fusibles, o realizar la instalación de dispositivos limitadores de corriente. La elección de los dispositivos de protección, se hace en la mayoría de los casos únicamente desde el punto de vista de ampacidad, o sea, de la capacidad que tengan los mismos de manejar un cierto valor de corriente en condiciones normales de operación. Sin embargo, el cálculo y elección deben de hacerse considerando las corrientes de cortocircuito. En el caso de considerar solamente la corriente nominal de operación, al efectuarse una sobrecarga en el sistema, simplemente lo que sucederá es que la protección se fundirá o disparará según sea el caso. Pero, si se tuviese una condición de falla y la capacidad interruptiva se seleccionó sin ningún estudio de cortocircuito previo, simplemente las protecciones estallarían ya que no tienen el soporte necesario para absorber la energía esperada [1]. Para el estudio de cortocircuito existen varios métodos, que van desde los simplificados para instalaciones del tipo industrial en sistemas de potencia y que pueden ser realizados manualmente, hasta los métodos computacionales, cuya formulación matemática requiere del uso de la computadora digital para los cálculos a realizar, y que por lo general, son aplicables al estudio de grandes redes eléctricas. [2] Existen varias formas de reducción de las corrientes de los cortocircuitos o de los efectos que estas producen sobre los elementos del sistema.. 4.

(13) CAPÍTULO 1.. 1.2 Corrientes de cortocircuito 1.2.1 Definición Un cortocircuito es un fenómeno eléctrico que ocurre cuando dos puntos entre los cuales existe una diferencia de potencial se ponen en contacto entre sí, caracterizándose por un incremento instantáneo y varias veces superior a la corriente nominal (valores de corriente superiores a 10 veces la corriente nominal), hasta el punto de falla [1] [2]. Se puede decir que un corto circuito es también el establecimiento de un flujo de corriente eléctrica muy alta, debido a una conexión por un circuito sin o de baja impedancia, que prácticamente siempre ocurren por accidente [3].. 1.2.2 Causas que lo originan Los cortocircuitos son los procesos más intensos que ocurren en los sistemas eléctricos y en los equipos en general. Un cortocircuito puede originarse de distintas maneras, tales como [2]: . Ruptura del aislamiento y conductores: defectos o errores de diseño, fabricación inadecuada, instalación inadecuada, aislamiento envejecido, contaminación, unión entre conductores o conductor a tierra.. . Eléctrica: descargas atmosféricas, fallos en los receptores conectados, sobretensiones transitorias por maniobra, sobretensiones dinámicas, avería o conexión incorrecta.. . Térmica: sobrecorriente, temperaturas extremas. . Mecánica: sismo, impactos por objetos ajenos, nieve, viento, caídas de postes de la línea.. 1.2.3 Efecto sobre los componentes del sistema eléctrico Los efectos que los cortocircuitos pueden provocar en los elementos del sistema pueden ser variados y están relacionados con la variación que experimentan los parámetros eléctricos durante la ocurrencia del fenómeno [2]. . Arco eléctrico. Este es similar al que se presenta cuando se usa soldadura eléctrica, ya que es un arco muy brillante caliente y se presenta en unos niveles de corriente que van de unos cuantos hasta miles de amperes. El efecto de la falla, es muy dramático, ya que el arco quema prácticamente todo lo que se encuentre en su trayectoria. . Térmicos. La corriente muy elevada produce calentamiento de los conductores por efecto Joule. En el cortocircuito, por su pequeña duración, el calor producido se utiliza exclusivamente en elevar 5.

(14) CAPÍTULO 1.. la temperatura del conductor (que alcanza su temperatura máxima admisible en milisegundos) sin ceder calor al exterior, provocando la destrucción del conductor o del equipo completamente. . Electrodinámicos. Las fuerzas de atracción o repulsión que aparecen entre conductores por efecto del campo magnético creado a su alrededor por la corriente que los recorre, son directamente proporcionales al producto de esas corrientes e inversamente proporcionales a la distancia entre conductores. Las corrientes de cortocircuito, de valor muy elevado, hacen que estas fuerzas electrodinámicas sean también muy elevadas, pudiendo destruir los cables, aisladores y las barras de conexión. . Esfuerzos magnéticos. Debido a que un campo magnético se forma alrededor de cualquier conductor cuando circula por él una corriente, se puede deducir fácilmente que cuando circula una corriente de cortocircuito de miles de amperes, el campo magnético se incrementa muchas veces y los esfuerzos magnéticos producidos son significativamente mayores [20].. 1.2.4 Otras consecuencias Durante la ocurrencia de cortocircuitos muy severos, así como cambios bruscos del régimen de carga, puede perderse el equilibrio entre el momento mecánico producido en el eje de la máquina por la turbina o el motor primario y el momento electromagnético originado por la carga, trayendo consigo la pérdida del sincronismo de los generadores. Muchos generadores pueden acelerarse mientras que otros comienzan a detenerse, pudiendo provocar esto la desconexión total del sistema o parte de él.. 1.2.5 Clasificación de los cortocircuitos En un sistema eléctrico trifásico pueden ocurrir las siguientes fallas, también conocidas como fallas en paralelo debido a la forma en que se encuentran instaladas las líneas: . Falla monofásica: ocurre cuando el cortocircuito se da entre una fase a tierra.. . Falla bifásica: ocurre cuando el cortocircuito de da entre dos fases.. . Falla bifásica a tierra: ocurre cuando el cortocircuito se da entre dos fases a tierra.. . Falla trifásica: ocurre cuando el cortocircuito se da entre todas las fases.. Desde el punto de vista estadístico, el mayor porcentaje de fallas por cortocircuito están representadas por las fallas monofásicas (del orden del 85%), las fallas bifásicas a tierra (8%), las bifásicas (5%) y por el menor porcentaje de las fallas correspondiente a las denominadas fallas trifásicas (del 2%), la mayoría de las veces la causa de las mismas es accidental, no obstante, como análisis de un sistema se deben estudiar todos los tipos de fallas, particularmente las fallas de fase a tierra y trifásica son de interés debido a que estas son las condiciones de falla más severas a las que se podría someter al equipo y la 6.

(15) CAPÍTULO 1.. instalación, y los resultados de estos estudios se aplican para: determinar la capacidad interruptiva de los interruptores en distintos puntos del sistema eléctrico, para las condiciones actuales y futuras de operación, si se trata de un estudio de planeación para expansión del sistema; determinar los esfuerzos térmicos y dinámicos en los distintos elementos del sistema; algunos otros estudios son de interés a partir de los cálculos de cortocircuito, sobre todo, comportamiento dinámico de algunos equipos y partes de la instalación [2]. Para los tipos de fallas indicados se pueden considerar dos casos: . Falla sólida, metálica o limpia: cuando la impedancia de fase es igual a cero.. . Falla a través de una impedancia: cuando la impedancia de fase es diferente cero.. 1.2.6 Fuentes generadoras de corriente de cortocircuito Cuando se determinan las magnitudes de las corrientes de cortocircuito, es extremadamente importante que se consideren todas las fuentes de corriente de cortocircuito y que las reactancias características de estas fuentes sean conocidas. Existen cuatro fuentes básicas de corrientes de cortocircuito, que alimentan con corriente de cortocircuito a la falla estas son: el sistema de suministro, generadores, motores síncronos, y motores de inducción [4] [2].. 1.2.6.1 Sistema de suministro Los sistemas eléctricos modernos de las compañías suministradoras, representan una red compleja de plantas generadoras interconectadas. En un sistema típico, los generadores no se ven afectados por las corrientes altas de cortocircuito que se producen en una planta industrial, únicamente aparece en ellos un incremento en su corriente de carga que tiende a permanecer constante. Las líneas de transmisión y distribución, así como los transformadores, introducen impedancias entre las plantas generadoras y los consumidores industriales; de no ser así, las compañías suministradoras serían una fuente infinita de corriente de falla. La representación de la compañía suministradora para el estudio del cortocircuito, será una impedancia equivalente referida al punto de conexión (punto de acometida).. 1.2.6.2 Generadores Son una fuente de corriente de cortocircuito en condiciones de falla, ya que estos son impulsados por motores primarios, turbinas, motores diésel u otro tipo de fuente motriz, cuando ocurre un cortocircuito en el circuito al cual está conectado el generador, éste continúa generando tensión debido a que la excitación del campo se mantiene debido a la rotación del generador y la fuente motriz sigue moviéndolo a velocidad normal. La tensión generada produce una corriente de cortocircuito de gran magnitud, la cual fluye del generador (o generadores) al punto de falla. Este flujo de corriente se limita únicamente 7.

(16) CAPÍTULO 1.. por la reactancia del generador y el punto a donde ocurre la falla. Si el cortocircuito ocurre en las terminales del generador, la corriente queda limitada solamente por la impedancia de la máquina, la cual es relativamente baja. La reactancia de un generador cambia con el tiempo después del inicio de la falla.. 1.2.6.3 Motores síncronos Los motores síncronos están construidos por un campo excitado por corriente directa y un devanado en el estator por el cual fluye la corriente alterna. Normalmente el motor obtiene la potencia de la línea y convierte la energía eléctrica en energía mecánica. No obstante, el diseño de un motor síncrono es tan semejante al de un generador de energía eléctrica, que puede producirla justo como un generador síncrono, moviendo el motor síncrono como una fuente motriz. Cuando ocurre un cortocircuito el motor síncrono deja de tomar energía del sistema para continuar su rotación y comienza a disminuir su velocidad, pero la inercia de la carga tiende a evitar que esta disminución sea muy rápida. De éste modo la inercia hace las veces de un motor primario y dado que la excitación se mantiene, el motor se comporta como un generador suministrando corriente de cortocircuito durante varios ciclos después de que ocurre la falla. Tan pronto como el cortocircuito se establece, la tensión en el sistema se reduce a un valor más bajo. Consecuentemente el motor deja de entregar energía a la carga mecánica y empieza a detenerse. Sin embargo, la inercia de la carga y el motor impiden al motor que se detenga; en otras palabras, la energía rotatoria de la carga y el rotor mueven al motor síncrono como un primo motor mueve a un generador. La magnitud de la corriente de cortocircuito debida a los motores síncronos depende de la potencia, la tensión nominal y reactancia del motor síncrono y de la reactancia del sistema hasta el punto de falla.. 1.2.6.4 Motores de inducción La inercia de la carga y el rotor de un motor de inducción tienen exactamente el mismo efecto sobre el motor de inducción como el motor síncrono; siguen moviendo al motor después de que ocurre un cortocircuito en el sistema. Sólo existe una diferencia, el motor de inducción no tiene un campo excitado por corriente directa, pero existe un flujo en el motor durante la operación normal. Este flujo actúa en forma similar al flujo producido por el campo de corriente directa en el motor síncrono. El campo del motor de inducción se produce por la inducción desde el estator en lugar del devanado de corriente directa. El flujo del motor permanece normal mientras se aplica tensión al estator desde una fuente externa (el sistema eléctrico), sin embargo, si la fuente externa de tensión se elimina súbitamente, esto es, cuando ocurre el cortocircuito en el sistema el flujo en el rotor no puede cambiar instantáneamente. 8.

(17) CAPÍTULO 1.. Debido a que el flujo del rotor puede decaer instantáneamente y la inercia sigue moviendo al motor, se genera una tensión en el devanado del estator cuando una corriente de cortocircuito que fluye hasta el punto de falla hasta que el flujo del rotor decae a cero. No hay aportación de corriente de cortocircuito en estado estacionario, y por lo tanto, a los motores de inducción se les asigna un valor de reactancia. El valor de la reactancia que presenta el motor en el momento que ocurre el cortocircuito es casi igual al de la reactancia presente con el rotor estático. La magnitud de la corriente de cortocircuito producida por el motor de inducción depende de su potencia, tensión nominal, reactancia del motor y la reactancia del sistema hasta el punto de falla. Consecuentemente, el valor inicial simétrico de la corriente de cortocircuito es aproximadamente igual a la corriente de arranque a tensión plena del motor, que tiene un valor entre 600 y 900% de la corriente de carga normal.. 1.3 Limitación de la corriente de cortocircuito y medios para mitigar sus efectos Existen numerosas alternativas que pueden ser aplicadas para reducir los niveles de cortocircuito, entre las que se incluyen:   . remplazar el equipamiento existente, efectuar modificaciones operacionales instalar equipamiento específico para limitar la corriente de cortocircuito.. 1.3.1 División o seccionalización de las redes Las subestaciones normalmente se encuentran conectadas a una sola barra colectora, y las corrientes de cortocircuito son potencialmente excesivas porque se tienen más impedancias en paralelo en el camino de contribución a la falla, para reducir el valor de las corrientes, la seccionalización o partición de las redes resulta efectiva en el caso que se seccionaliza la red donde las corrientes de cortocircuito resultan demasiado grandes. La reducción es causada por el aumento de la impedancia eficaz entre la ubicación de la falla y algunas de las fuentes de corriente de cortocircuito en el sistema. La partición de la barra de la subestación, en su forma más simple, en subestaciones de uno y dos barras, se lleva a cabo mediante la apertura de la sección de barra o interruptores automáticos que opera en una posición normalmente abierta. La seccionalización puede ser total o parcial. Si es total, no existirá enlace eléctrico directo entre las partes seccionalizadas, el enlace se mantiene únicamente a través de transformadores y a nivel de las redes de más alto voltaje; la seccionalización parcial mantiene un enlace eléctrico débil [5]. La seccionalización o división de las redes tiene una serie de desventajas:  . Se debilita la rigidez del sistema eléctrico de potencia Reduce el grado de interconexión de la subestación 9.

(18) CAPÍTULO 1..    . . Reducción de la confiabilidad en el caso de una subestación que es alimentada de un solo transformador alimentado de una sola barra colectora Empeoran las condiciones de regulación de voltaje Aumentar las pérdidas de potencia y energía en la red en una serie de casos Una falla en uno de los transformadores provoca la pérdida del suministro a los de la sección de barras y toda la demanda suministrada desde los alimentadores de distribución conectados a él. Como regla se empeora la estabilidad estática, pero en algunos casos se mejora la estabilidad transitoria, pues el voltaje en las barras de aquellas secciones donde no hay cortocircuito se mantienen a un nivel más alto.. Dichas desventajas hacen que la seccionalización se deba examinar como una medida forzada, que se justifica provisionalmente por la medida de cambiar los equipos que no satisfacen las condiciones de las corrientes de cortocircuito. Un esquema seccionalizado debe satisfacer las condiciones de distribución racional de las potencias, de regulación de voltaje, de operación correcta de la protección, aspectos que son necesarios comprobar. Este acercamiento es, a alguna magnitud, empírico. No hay ninguna regla definida para este método. En otros términos, es el caso dependiente. También depende de los parámetros como la creatividad y familiaridad del ingeniero con el sistema bajo el estudio. En muchos casos, puede producir reducción considerable del nivel de la corriente de falla. Es más, puede mejorar la estabilidad transiente y estabilidad de voltaje del sistema [12].. 1.3.2 Reemplazo de interruptores Los interruptores automáticos son dispositivos de maniobra mecánico capaz de establecer, conducir y cortar corrientes bajo condiciones normales y también establecer, conducir por un tiempo determinado y cortar corrientes bajo condiciones anormales. No solo tienen la función de control de la carga que alimentan, sino que también tiene que proteger a los circuitos que alimentan contra los cortocircuitos. Un interruptor automático limitador de corriente es aquel de potencia con un tiempo de interrupción lo suficientemente corto como para prevenir que la corriente de cortocircuito alcance su valor pico [6]. Una vez conocida las corrientes de cortocircuito, se seleccionan los interruptores, teniendo en cuenta su capacidad interruptiva, así como la corriente nominal, el número de polos, costo, entre otros. Para la selección de un interruptor adecuado se debe conocer primero las siguientes definiciones [4]: . Tensión nominal de diseño: es la tensión máxima para la que fue diseñado el interruptor. 10.

(19) CAPÍTULO 1.. . Tensión nominal de operación: es la tensión del sistema donde operará el interruptor.. . Corriente nominal: es la máxima corriente que puede circular a través de los contactos principales del interruptor por el tiempo en que está conectado normalmente a la carga.. . Tensión de control: es la tensión de los dispositivos secundarios de control. . Capacidad interruptiva: es la cantidad de corriente que el interruptor puede interrumpir con seguridad. Es la más importante en la selección del interruptor.. Se debe sustituir los interruptores afectados por otros que tengan una capacidad de interrupción superior a los niveles de cortocircuito, su costo depende del número de elementos a ser remplazado. Tiene la ventaja de no requerir mayores estudios para su implementación, y la desventaja de requerir remplazo de otros elementos serie, desconexiones que complican las labores en terreno y la operación del sistema durante los trabajos, y es una medida de corto plazo [7].. 1.3.3 Fusibles limitadores de corriente 1.3.3.1 Fusibles en general Los fusibles eléctricos son dispositivos de protección, que se encargan de abrir el circuito cuando existe una falla eléctrica por sobrecarga o cortocircuito. Los fusibles están fabricados con láminas metálicas con bajo punto de fusión. En su diseño a parte que viene por las características químicas, también se considera la parte geométrica de este (tamaño o dimensiones) para definir la máxima corriente que puede fluir por este.. 1.3.3.2 Característica de los fusibles . Voltaje nominal de operación: es la máxima tensión a la que se puede someter el fusible para que funcione correctamente.. . Intensidad nominal: es la máxima corriente que puede pasar por el fusible. Y es la corriente de diseño para la carga que se vaya a conectar el circuito. Si se supera esta corriente la lámina del fusible se fundirá.. . Poder de corte o capacidad de interrupción: para el caso de la corriente de cortocircuito, el fusible tiene una corriente máxima que puede manipular (corriente máxima de cortocircuito) sin problemas al producirse la falla. Está expresada en kiloamperios (kA).. . Retardo de tiempo: representa la curva desarrollada por la relación corriente-tiempo, donde expresa el tiempo necesario para que el fusible se funda (tiempo de corte) luego de haber sobrepasado la corriente nominal.[8]. 11.

(20) CAPÍTULO 1.. 1.3.3.3 Según su utilización Los fusibles limitadores de corriente limitan la energía disponible cuando ocurre un cortocircuito, esto permite que se reduzcan considerablemente los daños en el equipo protegido. La idea básica es que cuando el interruptor se abre genera un arco de tensión y la corriente en arco se transfiere al fusible limitador. Hay tres tipos disponibles [2] : . De respaldo o intervalo parcial: son los más típicos, deben ser usados en conjunto con fusibles de expulsión o algún otro dispositivo de protección y solamente es capaz de interrumpir corrientes superiores a un nivel especificado típicamente a 500 A.. . De propósito general: el cual está diseñado para interrumpir todas las corrientes de falla. Para corrientes de valor bajo, el tiempo de operación es retardado, para corrientes de falla opera en un tiempo muy rápido del orden de un cuarto de ciclo.. . De intervalo completo: el cual interrumpe cualquier corriente que en forma continua se presenta arriba de la corriente nominal. Estos fusibles son más caros que los de respaldo, lo que limita su utilización. Por otra parte, presentan también posibilidades de sobrecalentamiento y no consiguen proporcionar una solución adecuada para todos los casos de instalación.. 1.3.3.4 Según su operación Son fusibles de alta capacidad de interrupción o limitadores de corriente, y tienen la capacidad de interrumpir cualquier capacidad de corriente dentro de su rango de interrupción, limitando los valores pico de corrientes [8]. . Limitador de corriente: capacidad de cortar la corriente de falla de forma rápida, antes de que la intensidad llegue a su valor pico.. . Recambiables y no recambiables: a los recambiables se le puede cambiar la lámina o listón del fusible al fundirse por sobrecarga o cortocircuito, caso contrario con las no recambiables.. . Valor RMS: valor equivalente para disipar la misma potencia en un sistema en corriente directa a un mismo receptor.. . Corriente simétrica: mantiene la onda sinusoidal simétrica en ambos semiciclos (positivo y negativo).. . Retardo de tiempo: tiempo de exposición de la corriente para que el fusible se funda.. Ellos limitan la energía disponible cuando ocurre un cortocircuito, esto permite que se reduzcan considerablemente los daños en el equipo protegido. En la figura 1.1 se muestran ejemplos de fusibles limitadores de corriente de porcelana.. 12.

(21) CAPÍTULO 1.. Figura 1.1 Fusibles limitadores de corriente tipo porcelana. 1.3.3.5 Funcionamiento Los fusibles limitadores de corriente son usados en interiores, en transformadores y en equipos encerrados. Estos abren el circuito antes de que la corriente de cortocircuito alcance su valor pico. La interrupción sucede generalmente en el primer cuarto del ciclo, el tiempo total de interrupción es la suma de un tiempo de fusión mientras que el elemento del fusible se calienta y se funda, y un tiempo de arqueo luego de que el elemento se funde y los productos gaseosos del arco se enfrían debido a los efectos de los componentes adicionales del fusible. El arco origina impedancia, la cual limita la corriente reduciéndola finalmente, a cero. El fusible limitador de corriente tiene una baja impedancia hasta que una corriente muy alta empieza a fluir a través del mismo. Es a la vez un dispositivo limitador de corriente e interruptor de corriente de cortocircuito, mientras que los fusibles disyuntores normales sólo son dispositivos interruptores. El grado de limitación de un tamaño dado y tipo de fusible depende, en general, de la corriente de cortocircuito disponible que puede entregarse por el sistema eléctrico. La limitación real de fusibles se describe mejor en el gráfico de curvas que, cuando aplicado de un punto de vista práctico, es útil para determinar las corrientes cuando un fusible abre [9]. Cada tipo o clase de fusible tienen su propia familia de las curvas. En la figura 1.2 se muestra un ejemplo de como un fusible de 800A nominales limita la corriente de cortocircuito.. 13.

(22) CAPÍTULO 1.. Figura 1.2 Funcionamiento de un fusible limitador de corriente. 1.3.3.6 Clases de fusible Se pueden encontrar distintos tipos o clases de fusibles limitadores y por fabricantes.[8] [10] . Fusible Clase G. Son fusibles limitadores de corriente con capacidades de interrupción de 10kA-RMS (valor eficaz simétrico). Su máxima tensión de operación es de 300V-AC. Con intensidades nominales hasta los 60A. Son no recambiables, para ser fijados en portafusibles. En la figura 1.3 se muestra un fusible de este tipo.. 14.

(23) CAPÍTULO 1.. Figura 1.3 Fusible clase G. . Fusible Clase H. Son fusibles recambiables o no recambiables con capacidades de interrupción de 10kA-RMS simétricos. Su corriente nominal de operación va desde los 250 a 600A. Este tipo no es limitador de corriente. En la figura 1.4 se encuentra un fusible de esta clase.. Figura 1.4 Fusible clase H. . Fusible Clase J. Son no recambiables, con capacidades de interrupción de 200kA-RMS, para niveles de tensión de 600V-AC e intensidades nominales hasta los 600A. Estos pueden operar con retardado de tiempo y etiquetados como limitadores de corriente. Su diseño viene para ser atornillados barras colectoras, o para ser fijados en portafusibles. En la figura 1.5 se muestran ejemplos del fusible de clase J.. Figura 1.5 Fusible clase J. 15.

(24) CAPÍTULO 1.. . Fusible Clase K. Son fusibles limitadores de corriente no recambiables, con capacidades de interrupción de 100 y 200kA simétricos. Con tensión de 600V-AC e intensidades nominales hasta los 600A. Siendo etiquetados cuando tengan retardo de tiempo. Estos se han subclasificado según la máxima corriente de pico que pueden manejar, estos son: K1, K5 Y K9. Donde los de la clase K1 proporcionan una mayor limitación de intensidad que los de clase K5 Y K9. En la figura 1.6 se ve este tipo de fusible.. Figura 1.6 Fusible clase K. . Fusible Clase L. Son fusibles limitadores de corriente, para niveles de tensión de 600V-AC. Su intensidad nominal va desde los 601 hasta los 6000A. Están diseñados con capacidades de interrupción de 100 a 200kA-RMS simétricos. Estos son fabricados para ser atornillados en barras colectoras, no pudiéndose utilizar con portafusibles. En la figura 1.7 se puede ver este fusible.. 16.

(25) CAPÍTULO 1.. Figura 1.7 Fusible clase L. . Fusible Clase R. Son fusibles no recambiables limitadores de corriente, pueden operar con retardo de tiempo. Su tensión nominal de operación va desde los 250 a 600V-AC. Con intensidades nominales hasta los 600A. La figura 1.8 muestra ejemplos de estos fusibles.. Figura 1.8 Fusible clase R. . Fusible Clase CC. Son fusibles no recambiables de baja potencia, para intensidades nominales de 1/10 a 3A, a tensiones nominales de 600V-AC. Su poder de corte es de 2kA. Son pequeños, y están diseñados para fijarse en portafusibles. En la figura 1.9 se puede ver este fusible.. 17.

(26) CAPÍTULO 1.. Figura 1.9 Fusible clase CC. 1.3.3.7 Curvas tiempo-corriente Se representa con curvas tiempo-corriente como los fusibles de expulsión, se diferencian en que los fusibles limitadores de corriente tienen una respuesta extremadamente inversa, por lo que actúa más rápido ante fallas [11]. En la figura 1.10 se puede ver la curva tiempo-corriente de un fusible limitador de corriente, la cual se compone de dos curvas: la de tiempo mínimo de fusión y otra de tiempo máximo de limpieza o interrupción.. 18.

(27) CAPÍTULO 1.. Figura 1.10 Curva tiempo-corriente de un fusible limitador de corriente. 1.3.3.8 Curvas de energía de fusión I2t Durante la operación de un fusible cuando se produce una sobrecarga es necesaria una cierta cantidad de energía para fundir el elemento fusible y otra cantidad de energía para extinguir el arco eléctrico después de que el elemento comienza a fundirse, como se muestra en la figura 1.11.. 19.

(28) CAPÍTULO 1.. Figura 1.11 Acción característica del fusible limitador de corriente. Los datos de energía permisible I2t para cada clase de fusibles se representa en forma de tablas o curvas, donde aparece el tipo y la capacidad de fusible. De la selección adecuada del fusible depende la fiabilidad de la protección, por lo que se tienen los siguientes criterios para la selección de los mismos [11]:  Voltaje del sistema  Nivel de aislamiento  Máxima corriente de cortocircuito  Relación X/R  Máxima corriente de carga  Tipo de sistema. Esto permite saber la corriente de operación, el voltaje y la capacidad interruptiva del fusible a seleccionar.. 20.

(29) CAPÍTULO 1.. 1.3.3.9 Aplicaciones del fusible limitador de corriente de falla La aplicación más directa de un limitador de corriente de falla está en la posición principal en una barra colectora, como se muestra en la figura 1.12.. Figura 1.12 Limitador de corriente de falla en la posición principal. El limitador de corriente de falla protege toda la barra. También se puede utilizar para proteger cargas individuales en la barra. La aplicación selectiva de los fusibles limitadores se puede utilizar para proteger el equipo viejo o estresado que es difícil de reemplazar en un sistema que está creciendo [5].. 1.3.4 Limitadores de corrientes superconductores (SFCL) Una de las aplicaciones más promisoras para los materiales superconductores de alta temperatura en el sector eléctrico es el dispositivo limitador de corriente de cortocircuito superconductor. El dispositivo presenta características que no se encuentran en dispositivos convencionales, tales como: . En operación normal, la influencia en el circuito es despreciable. . Reduce rápidamente la corriente de cortocircuito. . Actúan automáticamente. . Después de resfriado, retorna automáticamente a su estado superconductor. Básicamente hay tres configuraciones de dispositivos limitadores de corriente de falla basados en superconductores. En cada caso, el elemento superconductor se coloca en paralelo con el elemento de impedancia.. 1.3.4.1 Limitador con un elemento de derivación resistiva En este caso el elemento de derivación limita la corriente durante la falla cuando es mayor que la corriente crítica del elemento superconductor y opera en el estado de alta resistencia que limita la corriente de falla.. 21.

(30) CAPÍTULO 1.. Se prefiere el material superconductor de alta resistividad en su estado no superconductor ya que limitará la corriente durante la falla. En la figura 1.13, durante el funcionamiento normal, la resistencia R2 es cero y cuando hay fallo, la resistencia R2 se vuelve tan alta que limita la corriente durante la falla. La resistencia R es la resistencia de derivación. Durante falla la corriente se transfiere de la resistencia R2 a R.. Figura 1.13 Superconductores shunt (R2) con un elemento de derivación resistiva. 1.3.4.2 Limitador con un elemento de derivación inductiva La bobina de disparo se envuelve sobre la otra bobina con diseño de baja inductancia. Durante el funcionamiento normal la corriente es muy baja y el elemento superconductor permanece en el estado superconductor y la caída de tensión también es muy bajo (ver figura 1.14).. Figura 1.14 Superconductor fusible limitar de corriente con el elemento de derivación inductiva. Un limitador de corriente superconductor en general, a diferencia de reactores o transformadores de impedancia alta, delimitará la corriente de falla sin añadir impedancia para el circuito durante la operación normal. Son los únicos materiales que cambian su resistencia automáticamente de cero para un valor alto cuando una cierta “corriente crítica” se sobrepasa, limitando así la corriente de cortocircuito [5].. 1.3.5 Reactores limitadores de corriente El reactor limitador de corriente (CLR de sus siglas en inglés) es uno de los dispositivos de limitación de corriente de cortocircuito más efectivo. Reduce los esfuerzos en las barras, aisladores, disyuntores y otros dispositivos de alta tensión. El uso de CLRs es el modo más práctico y económico para la limitación de corriente, frente a la necesidad de los posibles. 22.

(31) CAPÍTULO 1.. cambios en la instalación (sustitución de interruptores, cables, barras, y otros). En la figura 1.15 se puede observar una variante de reactor tipo seco, con sus partes principales.. Figura 1.15 Reactor limitador de corriente núcleo de aire. Se utilizan principalmente en los siguientes casos [13]: . Donde la potencia de cortocircuito del sistema eléctrico es mayor que la capacidad de apertura al cortocircuito de los aparatos disponibles o instalados.. . Donde, debido a una ampliación del sistema eléctrico, los aparatos existentes de la instalación se vuelven inadecuados, dado que la corriente de cortocircuito supera los valores previos a la ampliación.. Al ampliarse el sistema eléctrico, permiten limitar la potencia de cortocircuito de modo que no sea necesario reemplazar los equipos de maniobra existentes en la instalación [14]. La reactancia inductiva se elige para ser lo suficientemente baja de tal manera que genere una caída de tensión aceptable durante el funcionamiento normal, lo que hace que el núcleo de aire sea la solución más económica, pero lo suficientemente alta como para restringir un cortocircuito a un nivel apropiado para los equipos instalados. También se utilizan como reactores de distribución de carga para equilibrar la corriente en circuitos paralelos. Estos reactores están diseñados de manera que soporten continuamente la corriente nominal y las corrientes de falla durante un cierto período de tiempo. Los reactores limitadores de corriente están conectados en serie en un sistema de energía para limitar la corriente en condiciones de fallo del sistema. En funcionamiento normal, la corriente fluye a través del reactor. 23.

(32) CAPÍTULO 1.. Luego de conocido el valor XR del reactor que se desea instalar; entonces solo queda comprobar el cumplimiento de algunas normas, las principales son: . En régimen de carga normal, el Reactor no puede provocar una caída de tensión >6 % Un.. . En régimen de cortocircuito el Reactor debe de mantener en barra alrededor del 70 % Un o mayor.. . La corriente de cortocircuito que circulará por el Reactor debe ser inferior a su corriente contra esfuerzos dinámicos Idin.. Existen varios lugares en los que se pueden insertar los reactores, pero siempre se cumplirá que estará conectado en forma longitudinal al fallo. En la figura 1.16 se muestran algunas formas de instalar los reactores.. Figura 1.16 Reactores en la salida de alimentadores, entre secciones de barra y a la entrada de barra.. Generalmente estos reactores se construyen en núcleo de aire, en clase A, B, o F, también se pueden realizar en aceite, según se solicite. Estos dispositivos tienen algunas desventajas muy marcadas. Producen caídas de tensión que pueden ser el motivo de disminuciones momentáneas de tensión en el sistema cuando ocurre una falla, o cuando se arrancan los motores de gran capacidad. Pueden afectar desfavorablemente la regulación de tensión y pueden activar los dispositivos de baja tensión, además de consumir energía.. 1.3.6 Filiación La filiación es la utilización del poder de limitación de los interruptores automáticos o fusibles limitadores, que permite instalar aguas abajo interruptores automáticos de menos prestaciones.. 24.

(33) CAPÍTULO 1.. Los interruptores automáticos situados aguas arriba realizan entonces una función de barrera para las fuertes corrientes de cortocircuito ayudando así al interruptor situado aguas abajo. Permiten así a interruptores automáticos de poder de corte inferior a la corriente de cortocircuito presunta (en su punto de instalación) operar en sus condiciones normales de corte. La limitación de la corriente se hace a lo largo de todo el circuito controlado por el interruptor automático limitador de aguas arriba; la filiación afecta a todos los aparatos colocados aguas abajo de este interruptor automático. No queda restringida a dos aparatos consecutivos. También se puede lograr con fusibles [15].. 1.3.6.1 Área de aplicación Puede realizarse con dos aparatos instalados en armarios diferentes. Así, el término de filiación se extiende de forma general a toda asociación de interruptores automáticos que permite instalar en un punto de una instalación un automático de poder de corte inferior a la corriente de cortocircuito presunta. Por supuesto, el poder de corte del aparato de aguas arriba debe ser igual o superior a la corriente de cortocircuito presunta en el punto en que está instalado. La asociación de dos automáticos en filiación está prevista por las normas, por ejemplo: . De construcción de los aparatos (IEC 609472). . De instalación (NF C 15-100, § 434.3.1).. Como se dijo, la filiación: . concierne a todos los aparatos instalados aguas abajo del interruptor. . puede ser extendida a varios dispositivos consecutivos, incluso si se utilizan en diferentes cuadros.. Las normas de instalación (IEC 60364 o locales) imponen que el aparato situado aguas arriba tenga un poder de corte superior o igual a la corriente de cortocircuito asumida en ese punto de la instalación. Para los interruptores situados aguas abajo, el poder de corte a considerar es el poder de corte reforzado por la coordinación no selectiva o filiación.. 1.3.6.2 Principios En la figura 1.17, se observa que tan pronto como los dos interruptores disparan (a partir del punto IB), una tensión de arco UAD1 en la separación de los contactos de D1 se suma a la tensión UAD2 y ayuda por limitación complementaria al interruptor D2 a abrir.. 25.

(34) CAPÍTULO 1.. Figura 1.17 Principio de filiación de dos desconectivos. 1.3.6.3 Técnicas de implementación Como se observa en la figura anterior, la asociación formada por D1 + D2 permite mejorar el comportamiento de D2 como se muestra en la figura: . curva de limitación D2,. . curva de limitación D2 reforzada por D1,. . Corriente interruptiva Icu de D2 reforzada por D1.. De hecho, de acuerdo a las recomendaciones de las normas, los fabricantes dan y garantizan directamente la Icu reforzada por la asociación formada por D1 + D2. (ver figura 1.18). 26.

(35) CAPÍTULO 1.. Figura 1.18 Técnicas de implementacion. 1.3.6.4 Ventajas La filiación permite beneficiarse de todas las ventajas de la limitación. De este modo, los efectos de las corrientes de cortocircuito se reducen a:   . los efectos electromagnéticos, los efectos electrodinámicos, los efectos térmicos.. La instalación de un solo interruptor o fusible limitador produce importantes simplificaciones y ahorros en toda la instalación aguas abajo:  . simplificación en la elección de los aparatos por las tablas de filiación, ahorro en los aparatos aguas abajo. La limitación permite utilizar interruptores de comportamiento estándar.. La utilización de un aparato de protección que posea un poder de corte inferior a la corriente de cortocircuito presunta en su punto de instalación es posible si otro aparato es instalado aguas arriba con el poder de corte necesario. En ese caso, las características de estos dos aparatos deben ser tales que la energía dejada por el aparato de aguas arriba no sea mayor que la que puede soportar el aparato de aguas abajo y que los cables protegidos por estos aparatos no sufran daño alguno.. 27.

(36) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE OPERACIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO DE LA UEB TEXTIL “DESEMBARCO DEL GRANMA”, INTERRUPTORES AFECTADOS POR CAPACIDAD INTERRUPTIVA 2.1 Descripción del sistema eléctrico de la empresa. Perteneciente a la Unión Textil del Ministerio de la Industria Ligera, la Empresa Textil “Desembarco del Granma”, es una de las principales industrias dentro de la provincia de Villa Clara por su consumo de energía eléctrica, además por las características de su producción requiere el consumo de varios portadores energéticos como el fuel oíl para generar vapor y calentar aceite térmico, agua, diésel, gasolina, alcohol, lubricantes, etc. Cuenta con tres plantas productivas: Planta de Hilo de Coser, Planta de Tejeduría y Planta de Acabado. También cuenta con una Planta de Servicios de Ingeniería. En sus inicios estaba proyectada para la producción de 60 millones de m2 de tejidos planos anuales. A partir de su puesta en marcha comenzó a aumentar su producción textil anual, a medida que se iban incorporando a la producción nuevas áreas tecnológicas y se iba actualizando la tecnología y la operación de los equipos en general y a medida que se ganaban mercados para el tejido producido. Así, en 1987 se llegaron a producir más de 46 millones de m2. Sin embargo, a partir de ahí, aparecen dificultades sobre todo de suministro y de mercado, que hicieron que la producción descendiera a alrededor de 39 millones de m2 en 1988 y 28 millones de m2 en 1989 y 1990. A partir de 1991 y durante el Período Especial, se dejó de trabajar tres turnos para trabajar dos y después uno; se trabajaba solamente por la madrugada y durante el día, o durante el día y la noche, o solamente durante el día, o en “campañas continuas de 24 horas durante pocos días a la semana, u 8 horas solamente durante el día, etc. Es en los últimos años que la producción y el método productivo, ha logrado estabilizarse en correspondencia con suministros que realmente pueden recibir y el mercado que tienen; pero aún con variabilidad de la producción de un año con respecto a otro. Como se muestra en la figura 2.1, la energía eléctrica llega a la empresa desde el Sistema Electroenergético Nacional mediante un circuito de doble alimentación a través de la subestación eléctrica principal reductora de 110 / 6,3 kV, consta de dos transformadores de 15 MVA, protegidos por el lado de baja por interruptores de 2000 A, cuyos datos se muestran en la figura 1 del Anexo1. Solo el TRF2 se encuentra en servicio, debido a la gran disminución de la demanda que hace posible que la fábrica se alimente con un solo transformador, los mismos permiten la regulación automática del voltaje secundario con cambia tap por primario sin afectación de la carga. Además, presenta dos bancos de capacitores y un generador de emergencia de 100kVA encargado de alimentar algunas zonas de la fábrica cuando existen interrupciones en el sistema eléctrico que sirve de fuente de alimentación. Cuenta con un panel de control central para la recepción y distribución. La subestación está alimentada por dos líneas estableciendo el llamado “circuito de doble 28.

(37) CAPÍTULO 2.. alimentación”, característico de grandes consumidores de energía eléctrica. Sin embargo, de las dos líneas que alimentan la empresa solo la línea proveniente de la subestación Santa Clara 110kV, mediante el interruptor aéreo trifásico de operación neumática 8553, es la línea nominal de la que en condiciones normales se nutre la empresa, esta es una de las cláusulas que rige el contrato por el servicio prestado por parte de la Empresa de Transmisión y Distribución (ETD) a la fábrica. La otra fuente de alimentación proviene de la Sub-Santa Clara 220kV, que se utiliza solo en casos de averías o afectación en la anterior, a través del interruptor aéreo trifásico de operación neumática 8556. También existen los interruptores aéreos trifásicos de operación neumática 8551 y 8552 que enlazan las secciones del TRF1 con el TRF2 por 110kV. Normalmente ellas están cerradas permitiendo alimentar simultáneamente a los dos transformadores desde una línea u otra. Esta subestación alimenta por secundario dos barras que se mantienen normalmente aisladas eléctricamente, aunque tienen la posibilidad de enlace, distribuyendo la energía eléctrica a 2 turbocompresores de refrigeración de 6 kV y a 11 subestaciones auxiliares de 14 que existían originalmente, situadas en diferentes plantas a través de sus respectivos alimentadores, protegidas por interruptores de 600 A, cuyos datos se muestra en la figura 2 del Anexo 1. Existen algunas conexiones particulares como son los casos mostrados en la figura 2.1, donde la subestación ASB H2 se alimenta a través del TRF de H3 y esta a su vez enlaza a H1 por barra de bajo voltaje, situación similar que se presenta en T3 que se alimenta por el enlace de barra de T2.. Figura 2.1 Subestación principal de la industria. 29.

(38) CAPÍTULO 2.. Las subestaciones auxiliares reducen el voltaje de 6.3 kV a 480V. Cada una de ellas tiene una pizarra de distribución general con interruptores (breakers) de diferentes capacidades. Existen interruptores de 400 A, sus datos se muestran en el Anexo 2 figura 1, que son los que protegen los bancos de capacitores y los centros de control de motores de las cámaras de clima. Los interruptores de 225 A, como se muestra en el Anexo 2 figura 2, protegen la alimentación de las máquinas del proceso productivo y los de 100 A, como se muestra en el anexo 2 figura 3, protegen los circuitos de iluminación y miscelánea. Los conductores que salen de las subestaciones hasta los motores son trifásicos de cuatro vías, y están sobre bandejas o soterrados. Al final de algunos de estos alimentadores se encuentran grupos de paneles con interruptores que oscilan entre 20 y 225 A, como se muestra en el anexo 2 figuras 4, 5, 6 y 7, cubriendo una zona que va desde las cámaras de climatización hasta los telares.. 2.2 Actualización del monolineal de la Textilera “Desembarco del Granma”. Para la actualización en detalles del diagrama monolineal de la industria, se parte de trabajos anteriores, de datos tomados en el terreno y en colaboración con el personal técnico de experiencia de la entidad. El mismo se introduce en el software IPA y de forma abreviada se muestra en la figura 2,2, dicho programa tiene también disponible los datos de cada elemento.. 30.

(39) CAPÍTULO 2.. Figura 2.2 Diagrama monolineal de la Textilera “Desembarco del Granma” en el editor del IPA. 31.

(40) CAPÍTULO 2.. 2.3 Escenarios de operación del sistema eléctrico de la Textilera “Desembarco del Granma” En la industria en los últimos tiempos y acorde a la introducción de nuevas variantes de producción, incluyendo la cogeneración, se definen cinco posibles estados o escenarios de operación del sistema de suministro eléctrico: 1. Alimentación por la línea Santa Clara 110kV, funcionando el transformador principal 2, alimentando a la barra 2 que enlaza a barra 1, a través de la cuchilla L-203, ambas de 6.3kV y distribuyendo la energía eléctrica a 11 subestaciones auxiliares (ASB), situadas en diferentes plantas (Estado actual). 2.. Estado actual y Grupos Electrógenos en servicio.. 3. Estado actual, Grupos Electrógenos en servicio y Planta de cogeneración conectada a la ASB A2. 4. Estado actual, Grupos Electrógenos en servicio y Planta de cogeneración conectada a: la ASB A2 y Barra 1 de 6,3kV a través de un transformador. 5. Estado actual, Grupos Electrógenos en servicio y Planta de cogeneración conectada a la Barra 1 de 6,3kV a través de un transformador.. 2.4 Chequeo de interruptores en media tensión Se realiza el análisis de los interruptores de media tensión en todos los escenarios planteados, aunque se muestran solo el actual de trabajo en la fábrica (ver tabla 2.1) y aquel con la variante de la cogeneración conectada a 6kV (ver tabla 2.2), por resultar en este último el mayor incremento en las corrientes de cortocircuito en este nivel de tensión. En las tablas se puede consultar la comparación de la capacidad del interruptor, con las corrientes obtenidas según los cálculos técnicos e implementados en los productos de software a partir de la norma ANSI en 6 kV, la última columna expresa si se satisfacen o no las condiciones de capacidad del interruptor ante las fallas máximas posibles.. 32.

(41) CAPÍTULO 2.. Tabla 2.1 Chequeo de los interruptores en media tensión para el estado de operación No.1.. Tabla 2.2 Chequeo de los interruptores en media tensión para el estado de operación No.5.. Se concluye hasta aquí, que aunque existen incrementos en los parámetros analizados relacionados con la corriente de cortocircuito en media tensión al conectar la cogeneración mediante un transformador conectado a la barra 1 de 6,3 kV, todos los interruptores de media tensión se encuentran bien seleccionados, debido a que su capacidad de interrupción, de cierre pico y de cierre total se encuentran por encima de las corrientes obtenidas a partir de los niveles de cortocircuito simulados para cada caso, por lo que no es necesario tomar medidas correctivas al respecto.. 2.5 Chequeo de interruptores en baja tensión En las tablas 2.3, 2.4 y 2.5 que se muestran a continuación, se observa la comparación de la capacidad interruptiva de los interruptores de baja tensión, con las corrientes ajustadas según los resultados promedios de los productos de software a partir de la norma ANSI para algunos estados o escenarios de operación; debido al considerable número de desconectivos, solo aparecen aquellos que no cumplen con la capacidad necesaria.. 33.

(42) CAPÍTULO 2.. Tabla 2.3 Chequeo de los interruptores en baja tensión para el estado de operación No.1. En la tabla 2.3 se ve que en el estado actual en el que se encuentra la industria, ya existe un gran número de interruptores (95) en riesgo en caso de un cortocircuito máximo.. 34.

(43) CAPÍTULO 2.. Tabla 2.4 Chequeo de los interruptores en baja tensión para el estado de operación No.3. 35.

(44) CAPÍTULO 2.. En el escenario 3 mostrado en la tabla 2.4, existe un aumento de los interruptores afectados (101), debido a la inclusión de la planta de cogeneración, que al igual que los grupos electrógenos de emergencia (GE) contribuyen al aumento de las corrientes de cortocircuito.. 36.

(45) CAPÍTULO 2.. Tabla 2.5 Chequeo de los interruptores en baja tensión para el estado de operación No.5.. Como se muestra en la tabla 2.5, existe una ligera disminución del número de interruptores afectados (98) ante un cortocircuito máximo, en comparación con los estados de operación que incluyen la planta de cogeneración antes analizados. 37.

(46) CAPÍTULO 2.. La figura 2.3 permite una mejor visualización de los resultados obtenidos, para cada escenario de operación de la fábrica solamente con el software IPA.. 102. INTERRUPTORES FALLADOS POR ESCENARIOS DE OPERACIÓN. 100 98 101. 96. 101 98. 94. 95. 96. 92. 1. 2. 3. 4. 5. Figura 2.3 Análisis comparativo del número de interruptores afectados ante un cortocircuito máximo para los diferentes escenarios de operación de la Textilera “Desembarco del Granma”. Una vez hecho el análisis de los regímenes de operación más críticos en los que va a trabajar la industria y con la implementación de una Planta de Cogeneración, se llega al resultado de que pesar que en todos los escenarios antes descritos se presentan afectaciones de un grupo de interruptores en el nivel de tensión de 0.48kV ante la ocurrencia de cortocircuitos, no es así en 6kV. De los escenarios posibles de operación, las afectaciones más desfavorables en los interruptores, debido al incremento de las corrientes de cortocircuito en el nivel de tensión de 0,48 kV se manifiesta en los escenarios de operación 3 y 4, es decir: Escenario 3: Con el estado actual, Grupos Electrógenos en servicio y Planta de Cogeneración conectada a la subestación ASB A2. Escenario 4: Con el estado actual, Grupos Electrógenos en servicio y Planta de Cogeneración conectada a: la ASB A2 y Barra 1 de 6,3kV a través de un transformador. Además, es de señalar que la mayor parte de las afectaciones en interruptores existen ya desde el modo actual de operación, por lo que la cogeneración es viable ya que no ocasiona un incremento representativo en los interruptores afectados. Se concluye hasta aquí, que de estos 2 escenarios críticos, el más propenso a trabajar, según las características y proyectos previstos para la planta de cogeneración, es el escenario 3, por lo que será el objeto fundamental a tratar en las medidas de reducción o 38.

(47) CAPÍTULO 2.. mitigación de los efectos de los cortocircuitos en la fábrica, que se abordan en el próximo capítulo.. 39.