Determinación de la capacidad momentánea e interruptiva de interruptores al incluir cogeneración en la textilera Desembarco del Granma

Texto completo

(1)FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA CENTRO DE ESTUDIOS ELECTROENERGÉTICOS. TRABAJO DE DIPLOMA. Determinación de la capacidad momentánea e interruptiva de interruptores al incluir cogeneración en la Textilera “Desembarco del Granma”.. Autor: Ruden Morgado Bravo Tutor: M.Sc. Ing. Emilio Francesena Bacallao Cotutor: Ing. Vladimir Rodríguez Simeón. Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución”.

(2) FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA CENTRO DE ESTUDIOS ELECTROENERGÉTICOS. TRABAJO DE DIPLOMA. Determinación de la capacidad momentánea e interruptiva de interruptores al incluir cogeneración en la Textilera “Desembarco del Granma”.. Autor: Ruden Morgado Bravo Email: [email protected] Tutor: M.Sc. Ing. Emilio Francesena Bacallao Email: [email protected] Cotutor: Ing. Vladimir Rodríguez Simeón. Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución”.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Empresa.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del. Jefe de Departamento. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica. I.

(4) PENSAMIENTO. “(…) una investigación tiene que tener una base científica y tiene que disponer de un método científico de análisis (…)” Fidel Castro. (1985). II.

(5) AGRADECIMIENTOS Agradecer es un deber humano de todo el que ha sabido vencer y no por haber vencido dejaremos de agradecer. Lleguen mis más sinceros agradecimientos:  A mi familia, y en especial a mis maravillosos padres por el apoyo incondicional recibido desde que comencé mis estudios, por darme la posibilidad de hacer realidad mis sueños y por la plena confianza de que siempre llegaría hasta el final.  A todas mis amistades por su apoyo y en especial a dos personas que son muy importantes para mí a Roberto Ángel por darme la seguridad de que todo saldría bien y a Addiel por ayudarme cuando más lo necesité, por darme la fuerza y los buenos consejos de que pasito a pasito se llega al triunfo.  A Enrique Carlos Hernández Pérez por su ayuda en la conformación del trabajo, referente a la metodología de investigación.  Al M.Sc. Ing. Emilio Francesena Bacallao, por su asesoramiento.  A todos mis profesores por su dedicación y por haber contribuido en mi formación como profesional de la ingeniería.  A todas las personas que de una forma u otra han contribuido y hecho posible la realización de este estudio.  A los trabajadores de la Empresa Textil “Desembarco del Granma”, en especial al Ing. Vladimir Rodríguez Simeón por su dedicación.. A todos ellos, les estaré eternamente agradecido.. III.

(6) DEDICATORIA Al dedicar el resultado de un sueño que se alcanza con tesón y sacrificio se hace con un infinito sentimiento de amor, cariño y entrega, porque va destinado a todo aquello que ocupa un lugar significativo en nuestra existencia; es por ello que este trabajo se lo dedico:  A mis padres, de quien recibí la inspiración y el apoyo de ser lo que soy, un ingeniero.  A mi hermana por estar presente en todo momento.  A toda mi familia por estar siempre dándome el ánimo y el incondicional apoyo para aceptar el sacrificio de continuar.  A mi tío Aracelio por toda la ayuda que me brindó y sus buenos consejos.. Muchas gracias.. IV.

(7) TAREAS TÉCNICAS 1. Revisión de la literatura relacionada con el tema de la inclusión de una planta de cogeneración en sistemas industriales. 2. Actualización completa del monolineal de la entidad. 3. Elaboración del diagrama unifilar de la Industria Textil “Desembarco del Granma”. 4. Definición de los escenarios de operación que se analizarán en el cálculo de cortocircuitos. 5. Obtención de los valores de cortocircuito empleando productos de software para la simulación del sistema eléctrico. 6. Análisis de la capacidad momentánea e interruptiva de los interruptores de la fábrica. Propuesta de posibles soluciones a los problemas encontrados.. V.

(8) RESUMEN El presente trabajo tiene el propósito de chequear la capacidad momentánea e interruptiva de los interruptores en los niveles de media y baja tensión al introducir una planta de cogeneración en la Textilera “Desembarco del Granma”. Para esto se elabora el diagrama monolineal de la industria acorde a los nuevos escenarios de operación, se realiza un estudio de cortocircuito máximo que posibilita la obtención de las corrientes de falla en las barras de 6kV y 0.48kV, para el consiguiente chequeo de los interruptores instalados en estos niveles de voltaje, mediante el uso de dos productos de software que posibilitaron la simulación del sistema eléctrico. Se emplean en el desarrollo de la investigación métodos del nivel teórico, empírico y matemáticoestadístico, los cuales permiten obtener la información necesaria, para arribar a la conclusión principal, de que existen un gran número de interruptores en 0.48kV mal seleccionados en el estado actual en que trabaja la industria, debido a que su capacidad interruptiva está por debajo de los niveles de cortocircuito máximos a los que pudieran enfrentarse, situación que se agrava con la inclusión de la cogeneración. Para dar solución a esta problemática se proponen algunas medidas correctivas en busca de limitar estas altas corrientes de falla o mitigar su efecto. Palabras Claves: cogeneración, cortocircuito, sistema eléctrico e interruptores.. VI.

(9) ÍNDICE. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 1 CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA COGENERACIÓN Y SU INFLUENCIA EN LOS NIVELES DE CORTOCIRCUITO EN UN SISTEMA ELÉCTRICO INDUSTRIAL. .................................................................................................................. 8 1.1. Los sistemas de cogeneración. Conceptualización. ................................................. 8 1.1.1. Características diferenciales de la cogeneración. ................................................. 8 1.1.2. Tecnologías de cogeneración. Clasificación. ........................................................ 9 1.1.3. Influencia de una planta de cogeneración ante fallas y oscilaciones transitorias.10 1.2. Estudio de cortocircuito en sistemas eléctricos industriales. Conceptualización. ... 11 1.2.1. Contribuciones a la corriente de cortocircuito. .................................................... 13 1.2.1.1 Contribución de motores de inducción. ............................................................. 13 1.2.1.2 Contribución de máquinas sincrónicas. ............................................................. 15 1.2.1.3 Contribución de la empresa de suministro de energía eléctrica. ....................... 17 1.2.1.4 Contribución de las plantas de cogeneración. ................................................... 17 1.2.2. Corrientes de cortocircuito. ................................................................................. 18 1.2.3. Corriente simétrica y corriente asimétrica. .......................................................... 19 1.2.4. Tipos de cortocircuitos. ....................................................................................... 21 1.3. Medidas para limitar las corrientes de cortocircuito................................................ 22 1.4. Dispositivos de interrupción de circuitos en redes industriales. ............................. 24 1.4.1. Selección de interruptores. .................................................................................. 25 CAPÍTULO 2. SISTEMA ELÉCTRICO DE LA TEXTILERA “DESEMBARCO DEL GRANMA” Y METODOLOGÍA UTILIZADA PARA EL ESTUDIO DE LOS INTERRUPTORES........................................................................................................ 29 2.1. Descripción del sistema eléctrico de la industria. ................................................... 29 VII.

(10) 2.2. Características de la planta de cogeneración ofertada. ......................................... 32 2.3. Confección del monolineal de la Textilera “Desembarco del Granma”................... 32 2.4. Norma ANSI para el cálculo de cortocircuito. ......................................................... 34 2.4.2. La red de interrupción ......................................................................................... 36 2.4.3. La red de 30 ciclos .............................................................................................. 40 2.5. Descripción del software IPA. ................................................................................ 41 2.5.1. Procedimiento para el chequeo de los interruptores de alto voltaje. ................... 43 2.5.2.Procedimiento para el chequeo de los interruptores de bajo voltaje. ................... 44 2.6.Escenarios de operación del sistema eléctrico de la Textilera “Desembarco del Granma”. ....................................................................................................................... 44 CAPÍTULO 3. RESULTADOS DEL CHEQUEO DE INTERRUPTORES DE MEDIA Y BAJA TENSIÓN. ........................................................................................................... 46 3.1.. Chequeo de interruptores en media tensión........................................................ 46. 3.2.. Chequeo de interruptores en baja tensión........................................................... 49. 3.3.. Propuestas de acciones para contrarrestar las posibles afectaciones de los. interruptores. ................................................................................................................. 68 CONCLUSIONES.......................................................................................................... 74 RECOMENDACIONES ................................................................................................. 75 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 76 OTRAS FUENTES CONSULTADAS ............................................................................ 78 ANEXOS. VIII.

(11) INTRODUCCIÓN En los últimos años el mundo se mueve a una velocidad vertiginosa en lo que a crecimiento tecnológico se refiere. Las tecnologías se encuentran en constante cambio y renovación. El crecimiento poblacional y la economía de mercado han aumentado la demanda de productos y energía, creciendo la huella ecológica de la humanidad. La base de la economía mundial se basa en el concepto de crecimiento infinito que requiere de un 3% de incremento anual. Dicho crecimiento implica que, en apenas un cuarto de siglo, las necesidades energéticas se habrán duplicado, y así sucesivamente. También hay que tener en cuenta el hecho de que el 85% de la población mundial consume el 15% de la energía. En consecuencia a las demandas de recursos y el consumo creciente de energía de manera intensiva per cápita se ha motivado al desarrollo de políticas en el área de generación de formas eficientes de energía. Ante la situación actual de dependencia energética en Europa que supera el 50%, la Unión Europea ha impuesto la estrategia 3x20%, consistente en reducir las emisiones de CO2 un 20% mientras se incrementa la eficiencia otro 20% y se consigue que el 20% del consumo energético quede cubierto por energías renovables. Una de las alternativas para alcanzar el 20% del consumo energético por energías renovables es el aprovechamiento de las fuentes de calor renovable de baja y media temperatura, siendo las más estudiadas la energía geotérmica y solar, aunque actualmente hay un creciente interés por la utilización de la biomasa para usos térmicos o para producción conjunta de calor y electricidad (cogeneración). La cogeneración es la producción secuencial de energía eléctrica y/o mecánica y de energía térmica aprovechable en los procesos industriales a partir de una misma fuente de calor de energía primaria, y es hoy, una de las mejores alternativas como método de conservación de energía para la industria, acorde con las políticas orientadas a lograr un desarrollo sostenible. La mayoría de los procesos industriales y aplicaciones comerciales, requieren de vapor y calor a bajas temperaturas. Mediante la cogeneración, se puede combinar la 1.

(12) producción de electricidad y calor para los procesos, aprovechando la energía que de otra. forma. se. desecharía,. como. ocurre. en. las. centrales. termoeléctricas. convencionales. Esta forma de aprovechar el calor de desecho es lo que convierte a la cogeneración en una atractiva fuente de energía. Cuando se produce de forma combinada potencia y calor (CHP), se incrementa la eficiencia global lograda en el uso del combustible primario y se reduce la emisión de gases contaminantes. De ahí que, la industria textil se ha perfilado en los últimos años como una de las más idóneas en la adopción de equipos de cogeneración, debido a las fuertes demandas de energía eléctrica y vapor en su proceso productivo. Por un lado, la energía eléctrica es demandada para mover las bobinas, el funcionamiento de los telares y otra maquinaria especializada, y, por otro, los procesos de ennoblecimiento textil de hilos y tejidos necesitan vapor. Cuba no está ajena de esta problemática, toda vez que su estructura energética está basada también en el uso de combustibles fósiles, importados en una parte considerable con un consumo de alrededor del 40% de los combustibles derivados del petróleo, para generar más del 80% de la electricidad total producida en el país. Para reducir sensiblemente esta dependencia de la importación y uso del petróleo, se priorizó el máximo aprovechamiento de las fuentes nacionales de energía y la elevación de la eficiencia energética en la economía, con la perspectiva de que las fuentes renovables de energía adquieran un mayor peso. Esto es la esencia del Programa de Desarrollo de las Fuentes Nacionales de Energía (PDFNE), aprobado por el Comité Ejecutivo del Consejo de Ministros, el 20 de mayo de 1993; y que la Asamblea Nacional del Poder Popular, en el Primer Periodo Ordinario de Sesiones de la Cuarta Legislatura, en junio de 2004, lo analizó y convocó a su perfeccionamiento progresivo y su materialización. Lo anterior se corresponde con los compromisos internacionales suscritos por el país en la esfera ambiental, contenidos expresamente en el documento Agenda 21 y en el Convenio Marco sobre los Cambios Climáticos. Entre las principales acciones y líneas de trabajo de este programa está respaldar el incremento de la cogeneración en el sector industrial, así como, priorizar, en función de su potencialidad y significación estratégica, el estudio y desarrollo de las nuevas 2.

(13) tecnologías tendientes a elevar al máximo la generación combinada de calor y electricidad. En tal sentido en el 2007 se creó el Grupo Nacional de Energía Renovable, formado, entre otros, por el Grupo de Cogeneración (GreCo) que ha trabajado hasta la fecha en varios estudios perspectivos para el aprovechamiento del calor de desecho de las baterías de grupos electrógenos, en el establecimiento de un marco regulatorio para esta actividad, y en varios estudios de oportunidad de proyectos de cogeneración y poligeneración en el sector industrial. En esos estudios se han identificado a priori, varias industrias como candidatas a implementar la cogeneración, entre las que se encuentra el Combinado Textil “Desembarco del Granma” de la ciudad de Santa Clara, perteneciente al Ministerio de la Industria Ligera, donde se ha trabajado en la caracterización de las instalaciones energéticas de la misma. Creada en 1979 con tecnología japonesa del año 1976 la UEB Textil “Desembarco del Granma” se diseña, en su concepción inicial, para producir 60 millones de metros cuadrados de tejido plano. Durante la etapa del período especial se vio prácticamente detenido todo su proceso productivo y con el consiguiente deterioro de sus escenarios energéticos. Actualmente se ha reactivado y consta de tres plantas productivas (Hilo de Coser, Tejeduría y Acabado), y una Planta de Servicio (PSI). Tiene tres productos principales reconocidos: Hilo de Coser, Gasa Quirúrgica y Tejido Plano. Asimismo, la Empresa Textil “Desembarco del Granma” consume aproximadamente 200 t de vapor al día, el mismo es generado con calderas con más de 30 años de explotación y baja eficiencia. El consumo de electricidad promedio es de 8 700 MW.h/año y 4 000 t de fueloil. Por otra parte, 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 fueloil al año. El consumo eléctrico ascendería a 12 000 MW.h/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/año lo que significaría incluso una reducción del consumo con respecto al actual. 3.

(14) De ahí que, es en este punto que se le solicita al Centro de Estudio Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA) y al Centro de Estudios Electroenergéticos (CEE), para 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. Para enfrentar el proceso de ampliación y modernización del Combinado Textil “Desembarco del Granma” se requiere evaluar las posibilidades de implementar la cogeneración. Para ello se debe llevar a cabo un estudio de oportunidad a través de la caracterización de las instalaciones y demandas energéticas y su aumento en los nuevos escenarios de operación. Existen muchas herramientas para el análisis de un sistema eléctrico industrial, uno de ellos es el estudio de cortocircuito que tiene como principal objetivo determinar los niveles de corriente ante fallas, las cuales permiten obtener información necesaria para seleccionar correctamente la capacidad de los equipos en función de los requerimientos mínimos que deben cumplir y así soportar los efectos de las contingencias. Uno de los problemas que hacen necesario el estudio de los niveles de cortocircuito en la Industria Textilera “Desembarco del Granma” es que no se dispone de información sobre el estado actual de los dispositivos de interrupción ante las nuevas condiciones de trabajo, dadas por la implementación de un proyecto de cogeneración, lo que presenta una gran preocupante debido a que son los encargados de poner fuera de servicio a aquellos circuitos que están bajos regímenes anormales, con el objetivo de garantizar: seguridad, confiabilidad, regulación de tensión y calidad en el suministro de la energía eléctrica. Teniendo en cuenta lo anterior, se decidió en primer lugar actualizar detalladamente el monolineal completo de la empresa a los niveles de 6kV y 0,48kV; así como realizar el estudio de cortocircuito de la instalación existente mediante el uso de software, a fin de analizar el comportamiento de los interruptores ya existentes, establecer la selección correcta de los nuevos. que se van a implementar al introducir la planta de. cogeneración y de disponer de una base de datos, que permita incorporar nuevos. 4.

(15) análisis y posibles estudios para la ubicación más factible del nuevo nodo de generación desde el punto de vista eléctrico. A partir de estos antecedentes se convierte en propósito esencial de esta investigación la solución del siguiente problema científico: ¿Cuál es la capacidad momentánea e interruptiva necesaria de los interruptores en los niveles de voltaje de 6KV y 0.48KV al introducir una planta de cogeneración en la UEB Textil “Desembarco del Granma”?. Para dar respuesta a esta interrogante se plantea como objetivo general el siguiente: . Determinar la capacidad momentánea e interruptiva de los interruptores en los niveles de tensión de 6KV y 0.48KV al introducir cogeneración en la Textilera “Desembarco del Granma”. En consecuencia, se trazan como objetivos específicos los siguientes: 1. Fundamentar teóricamente la inclusión de la cogeneración y su influencia en los niveles de cortocircuito de empresas industriales. 2. Elaborar el diagrama unifilar de la Industria Textil “Desembarco del Granma” acorde a los nuevos escenarios para el cálculo de la capacidad momentánea e interruptiva de los interruptores. 3. Obtener las corrientes de cortocircuito en las barras de 6kV y 0.48kV empleando software para la simulación del sistema eléctrico. 4. Comprobar la capacidad momentánea e interruptiva de los interruptores actuales instalados en estos niveles de voltaje. Para el desarrollo del trabajo se utilizaron métodos del nivel teórico, empírico y matemático-estadístico.. 5.

(16) Métodos del nivel teórico. Análisis histórico-lógico: permitió profundizar en lo concerniente al desarrollo de la inclusión de la cogeneración y su influencia en los niveles de cortocircuito de empresas industriales. Analítico-sintético: es fundamental en el proceso de análisis de la capacidad momentánea e interruptiva de los interruptores de la fábrica, así como las posibles soluciones al incremento excesivo de las corrientes de cortocircuito en cada escenario, además de la búsqueda de argumentos y la recopilación de los datos para reconocer y valorar el fenómeno investigado en todas sus partes y llegar a lo concreto del mismo, desde la fundamentación teórica hasta lo práctico. Posibilita, en fin, el análisis del todo en sus partes y volver al todo mediante la síntesis del proceso. Inductivo-deductivo: permitió estudiar e interpretar el comportamiento del desarrollo de la inclusión de la cogeneración y su influencia en los niveles de cortocircuito de empresas industriales y la capacidad momentánea e interruptiva necesaria de los interruptores en los niveles de voltaje de 6KV y 0.48KV al introducir una planta de cogeneración en la UEB Textil “Desembarco del Granma”. Modelación: Permitió una aproximación práctica a la realidad a partir de la representación del diagrama unifilar de la Industria Textil “Desembarco del Granma”, en correspondencia a los nuevos escenarios para el cálculo de la capacidad momentánea e interruptiva de los interruptores. Métodos del nivel empírico. Análisis de documentos: Permitió obtener información acerca de los datos técnicos de los interruptores a través de los catálogos del fabricante y las características del sistema eléctrico de la industria a través de los diagramas monolineales de cada planta. Observación científica: Posibilitó comprobar el estado actual del sistema eléctrico en que se encontraba trabajando cada planta.. Del nivel matemático-estadístico. Estadística descriptiva: Posibilitó el trabajo con tablas y gráficos, para organizar los resultados que permiten apreciar la información de forma más rápida y objetiva.. 6.

(17) Descripción de los contenidos. La tesis se estructura en introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas, bibliografía y anexos. La introducción contiene el tema de investigación, la situación problémica, el problema a resolver, así como el objetivo general y los específicos; además de los métodos de investigación empleados. En el capítulo 1 se hace una fundamentación teórica sobre la inclusión de la cogeneración, así como lo relacionado con los cortocircuitos en los sistemas eléctricos industriales y las medidas para limitar las corrientes de falla; además aparece la descripción de los dispositivos de interrupción de circuitos en redes industriales. En el capítulo 2 se hace una descripción del circuito que se va a analizar en cuanto a la configuración de la red, se caracteriza la planta de cogeneración ofertada, se aborda la normativa por la cual se rige el estudio de cortocircuito y se definen los escenarios de operación de la industria que establecen las condiciones extremas de operación del sistema eléctrico con cogeneración. En el capítulo 3 se exponen los resultados del estudio de cortocircuito y la propuesta de acciones para dar solución a los problemas detectados.. 7.

(18) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA COGENERACIÓN Y SU INFLUENCIA EN LOS NIVELES DE CORTOCIRCUITO EN UN SISTEMA ELÉCTRICO INDUSTRIAL. 1.1. Los sistemas de cogeneración. Conceptualización. La cogeneración se define como la producción simultánea de energía eléctrica y energía térmica por medio de un proceso de generación de calor único. Dependiendo del tipo de energía producida inicialmente, se definen dos formas típicas de cogeneración: en la primera se obtiene electricidad como subproducto de la generación de energía térmica, mientras que en la segunda es posible producir calor en forma de vapor de agua o agua caliente como un elemento adicional a la demanda por energía eléctrica. Esta utilización simultánea del calor distingue a este proceso de la autogeneración, en el cual no existe un aprovechamiento térmico como efecto secundario [1]. Una característica que debe tener el proceso productivo para aprovechar estas instalaciones es que sus requerimientos de calor sean moderados, con temperaturas de 250 °C a 600 °C. 1.1.1. Características diferenciales de la cogeneración. La cogeneración ofrece importantes beneficios económicos, energéticos y ambientales; aprovecha varios tipos de energía, por lo que tiene un potencial de rendimiento mayor que una central convencional cerca del 85%. Por otro lado, consigue ahorros en la factura eléctrica, ya que la empresa es el propio generador de esa energía. Además, si vende la energía a la compañía eléctrica, reducirá el precio por el kWh, una prima adicional a las instalaciones acogidas a régimen especial. Por otro lado, el suministro eléctrico podrá ser independiente del exterior, lo que asegura una mayor fiabilidad de suministro y una menor incidencia de cortes. Se produce la energía donde se consume, por lo que hay menores pérdidas por transporte y aumenta la autonomía de las fábricas. Adicionalmente, cabe destacar que a través de la cogeneración se obtienen importantes mejoras ambientales, producidas porque el consumo de energía primaria es menor, al ser el rendimiento energético superior en la cogeneración que en otros sistemas. Como consecuencia, se contribuye. 8.

(19) a mejorar el medio ambiente, dando de esta manera una imagen más limpia y moderna a la empresa [2]. 1.1.2. Tecnologías de cogeneración. Clasificación. Desde el punto de vista del montaje, las instalaciones se clasifican en dos tipos. El primero de ellos se denomina sistema de cogeneración de ciclo de cabecera (topping system), mientras que el otro se conoce como sistema de cogeneración de ciclo de cola (bottoming system). A continuación se describe brevemente cada uno de ellos:  Sistema de cabecera: En primer lugar se genera electricidad y luego el calor se usa en los procesos industriales, en sistemas de aire acondicionado u otros requerimientos de carácter térmico. En general se aplican a procesos que requieren temperaturas moderadas o bajas, por lo que poseen mayor campo de utilización y más versatilidad en su solución técnica, es el sistema más aplicado en la industria. Para producir electricidad se utilizan turbinas a vapor, a gas o motores de combustión diésel. Si se trata de turbinas a vapor o motores diésel, el vapor o los gases de escape se convierten en fuentes de calor para procesos. Aplicaciones típicas de esta modalidad son el secado de madera u otros materiales de construcción, recalentamiento de metales, calentador de agua, aire o aceite y, en general, calderas para producir vapor.  Sistema de cola: Su sistema primario es térmico, siendo posible extraer o recuperar calor del proceso industrial para producir electricidad. En este caso se requiere de vapor de alta calidad, es decir, cuya temperatura y presión sean las adecuadas para generar electricidad. Por lo tanto, se trata de procesos de temperaturas altas o medias. Este esquema se aplica típicamente en hornos, reacciones químicas y prensas de vapor de alta presión. El calor que se extrae de estos procesos sirve para generar vapor en una caldera de recuperación que luego se aprovecha en una turbina o generador. La ventaja de estos sistemas radica precisamente en este hecho, ya que no se requiere combustible adicional para generar electricidad. Esta configuración es muy utilizada cuando se trabaja con turbinas a vapor. Por su parte, la elección de la tecnología adecuada dependerá de factores particulares, tales como la potencia requerida, el ciclo del trabajo, los precios de los combustibles 9.

(20) primarios y las condiciones de conexión al sistema [1]. La Tabla 1.1 describe algunas características relevantes que distinguen a las tecnologías de cogeneración [3]. Tabla 1.1 Resumen de características en distintas tecnologías aplicadas a la cogeneración. Parámetro. Motor diesel. Motor gas natural. Turbina a vapor. Turbina a gas. Microturbina. Celda de combustible. Eficiencia energética (%). 30-50. 25-45. 30-42. 25-40(simple);60(ciclo combinado). 20-30. 40-70. Rango de potencia (MW). 0.05-50. 0.005-5. Cualquiera. 3-200. 0.025-0.25. 0.2-2. 800-1.500. 800-15.000. 800-1.000. 700-900. 500-1.300. >3.000. 90-95. 92-97. ~300. 90-98. 90-98. >95. Todos. Gas Natural, Biogas, Propano, destilados. Gas Natural, Biogas, Propano, destilados. Hidrógeno, Gas Natural, Propano. Vapor AP y BP, calor distribuido. Calor directo y distribuido, agua caliente. Calor directo, agua caliente, vapor BP. Agua caliente, vapor AP y BP. Costo instalación (USS/kWh) Disponibilidad (%) Combustibles. Diesel. Uso calor residual. Agua caliente, vapor BP,calor distribuido. Gas Natural, Biogas, Propano Agua caliente, vapor BP,calor distribuido. De acuerdo con el tipo de generación utilizado, la clasificación más común de los sistemas de cogeneración es la siguiente: •. Motores alternativos.. •. Turbina de gas.. •. Turbina de vapor.. También es posible combinar las dos últimas tecnologías; el resultado es un ciclo combinado utilizado casi exclusivamente en centrales térmicas. Esta tecnología emplea los gases de escape procedentes de la turbina de gas, para alimentar el calentador de la turbina de vapor [2]. 1.1.3. Influencia de una planta de cogeneración ante fallas y oscilaciones transitorias. Es interesante comprobar la respuesta de los grupos de cogeneración ante cortocircuitos, así como en qué condiciones es necesario dispararlos. Al producirse una. 10.

(21) falla, éstos se aceleran como consecuencia del desequilibrio entre potencia mecánica y eléctrica. En estas circunstancias el ángulo de carga de cada grupo de la cogeneración aumenta, lo que provoca oscilaciones de las variables eléctricas de la máquina y un posible disparo de las protecciones de la misma. También es interesante comprobar las tensiones resultantes en las fábricas tras los cortocircuitos, y cómo influyen en éstas los grupos de la cogeneración que hayan conectados. La recuperación de las tensiones en la fábrica tras la falla es más lenta en el caso de haber algún grupo conectado de la cogeneración que en el caso de no haberlo. Las oscilaciones a las que se ven sometidos los grupos en los instantes iniciales tras la falla provocan el consumo de energía reactiva de los mismos, lo que repercute en una más lenta recuperación de las tensiones. A mayor número de grupos conectados la respuesta es más lenta. Los reguladores de tensión de las turbinas de gas (TG) son autoexcitados, por lo que se produce la pérdida de la excitación de los generadores causada por la bajada súbita de las tensiones debido al cortocircuito. Esto influye en una peor respuesta de los reguladores de tensión, y como consecuencia en el control de las variables eléctricas del sistema. Por su parte la turbina de vapor (TV) tiene una inercia muy baja lo que le hace ser muy sensible a las oscilaciones del sistema, lo que provoca que durante unos segundos consuma y genere alternativamente energía reactiva. Las cogeneraciones son beneficiosas estando la instalación conectada a la red ya que en régimen habitual de funcionamiento éstas ayudan en la regulación de tensiones. En cambio, durante una falta, aunque la recuperación de las tensiones sea más lenta con la cogeneración acoplada, no peligra la continuidad de suministro de las fábricas [4]. 1.2.. Estudio. de. cortocircuito. en. sistemas. eléctricos. industriales.. Conceptualización. La planificación, el diseño y la operación de los sistemas eléctricos, requieren de minuciosos estudios para evaluar su comportamiento, confiabilidad y seguridad. Estudios típicos que se realizan son los flujos de potencia, estabilidad, coordinación de protecciones, cálculo de cortocircuito, etc. Un buen diseño debe estar basado en un cuidadoso estudio que se incluye la selección de voltaje, tamaño del equipamiento y selección apropiada de las protecciones. 11.

(22) La mayoría de los estudios necesitan de un complejo y detallado modelo que represente al sistema eléctrico, generalmente establecido en la etapa de proyecto. Los estudios de cortocircuito son típicos ejemplos de éstos, siendo esencial para la selección de equipos y el ajuste de sus respectivas protecciones. Las dimensiones de una instalación eléctrica y de los materiales que se instalan, así como la determinación de las protecciones de las personas y bienes, precisan el cálculo de las corrientes de cortocircuito en cualquier punto de la red. Un estudio de cortocircuito tiene la finalidad de proporcionar información sobre corrientes y voltajes en un sistema eléctrico durante condiciones de falla. Un estado de falla producirá corrientes eléctricas muy altas, provenientes de distintas fuentes, esto permite una deliberación de energía, por lo tanto es importante conocer que cada uno de los equipos está debidamente protegido y que la instalación como tal será capaz de soportar la falla, mientras las protecciones sean activadas automáticamente. A pesar de que las corrientes de falla se presentan por poco tiempo (fracciones de segundo), es importante que los conductores y los interruptores sean capaces de soportar la energía liberada y puedan funcionar debidamente. La incorrecta selección de un interruptor y/o conductor puede ocasionar que, en caso de una falla, este explote por su incapacidad de soportar la energía, volviendo más grave el escenario y produciendo una falla de arco eléctrico en el tablero, lo cual hace imposible aislar la falla y puede ocasionar un incendio. Aquí es donde a nivel de seguridad se justifica un estudio de cortocircuito.[5] En lo que respecta a la definición de cortocircuito, este 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 elevadas corrientes circulantes hasta el punto de falla. Se puede decir que un cortocircuito es también el establecimiento de un flujo de corriente eléctrica muy alta, debido a una conexión por un circuito de baja impedancia, que prácticamente siempre ocurren por accidente. La magnitud de la corriente de cortocircuito es mucho mayor que la corriente nominal o de carga que circula por el mismo. Aún en las instalaciones con las protecciones más sofisticadas se producen fallas por cortocircuito [6].. 12.

(23) 1.2.1. Contribuciones a la corriente de cortocircuito. Como se mencionó anteriormente, en el estado de falla existen varios aportes de distintos componentes del sistema eléctrico. Típicamente las más consideradas son los motores de inducción, máquinas sincrónicas y el aporte de la empresa de suministro, como se muestra en la figura 1.1. Cada uno de estos componentes será evaluado según los criterios de la norma ANSI/IEEE 551 2006.. Figura 1.1 Contribuciones de distintas fuentes a la corriente de cortocircuito [7].. 1.2.1.1 Contribución de motores de inducción. Cuando se tiene un motor de inducción y se elimina la tensión, momento del cortocircuito, la máquina sigue girando por inercia y como el flujo en el rotor no desaparece instantáneamente, se genera un voltaje en el estator, y como consecuencia una corriente que alimentará la falla. La corriente generada por el motor, se anula casi completamente en 4 ciclos, pero dura lo suficiente para afectar el funcionamiento del dispositivo de interrupción en el instante inicial del cortocircuito y en el instante de interrupción si éste se acciona dentro de 1 o 2 ciclos después de la falla [8]. La magnitud de la corriente de falla depende de la potencia, de la tensión, de la reactancia de la máquina y de la impedancia comprendida entre la máquina y la falla. La magnitud inicial del cortocircuito es calculado utilizando la reactancia subtransitoria X’’d. En la práctica es aceptado sustituir la conocida o estimada reactancia a rotor 13.

(24) bloqueado XRB por X’’d. La magnitud inicial de corriente de componente de DC es el valor cresta del valor inicial de la componente de AC, asumiendo que en alguna fase se tiene el máximo de asimetría posible. La reactancia subtransitoria (X’’d) se puede entender como la impedancia equivalente del bobinado del estator en el instante que ocurre una falla por cortocircuito, con la máquina sin carga y con voltaje nominal. Esta reactancia determina el flujo de corriente en los primeros ciclos de iniciada la falla [9]. La diferencia entre la reactancia subtransitoria y la transitoria (X’d), son los números de ciclos, ya que la reactancia transitoria se debe a las mismas características anteriores, pero medida entre el primero y el tercer ciclo después de ocurrido el evento, ya que la saturación de flujo magnético en el bobinado del estator varía en poco tiempo. El aporte decae de forma exponencial (ir a figuras 1.2 y 1.3), para poder contemplar parte de ese decrecimiento en el aporte, es importante aumentar la reactancia según en los ciclos que se vaya a realizar el cálculo. Típicamente los ciclos son primer, tercer y más de una docena de ciclos, según los perfiles de voltaje existentes. Este incremento de la reactancia subtransitoria se realiza mediante la tabla 1.2 con los factores mostrados. Tabla 1.2. Reactancias o factores recomendados para motores de inducción [10].. Como se puede observar en la tabla anterior, la norma hace diferencia entre los motores de inducción según su potencia nominal, en este caso los motores pequeños 14.

(25) (entre ¼ hp a 50 hp) son considerados pequeños, y la misma normativa recomienda omitir estos motores para el cálculo de la corriente de falla para tiempos mayores a un ciclo. La norma también tiene algunos métodos rápidos para simplificar el cálculo como en el caso de un grupo de motores pequeños, lo que recomienda es tomar la suma de las corrientes nominales y multiplicarla por 3.6 o bien utilizar una reactancia equivalente del 28%, mientras que para motores medianos el factor será de 4.6 o también recomienda utilizar como valor conservador (solo en caso de no obtener el valor de la reactancia subtransitoria) una reactancia de 16.7%. Para motores grandes se recomienda utilizar la misma reactancia o bien la corriente nominal multiplicada por 6 como aporte simplificado. Cada una de estas reactancias recomendadas, es equivalente a tomar una reactancia base y típica de 16.7% para todas las máquinas de inducción, tomando este valor y multiplicarlo por los factores, se va a obtener la reactancia recomendada. Esto cumple con lo estipulado en norma ANSI/IEEE 141-1993 en su cuadro 4.2. 1.2.1.2 Contribución de máquinas sincrónicas. Para el caso de los motores sincrónicos, apenas se establece el cortocircuito, la tensión en las inmediaciones de la falla, se reduce, el motor entonces no absorbe energía, comienza a desacelerarse, pero la inercia de la carga y la del motor tienden a mantenerlo en rotación y como sigue siendo excitado se comporta como un generador y entrega corriente por muchos ciclos después de que se manifiesta la falla. Las máquinas síncronas al igual que las de inducción poseen su aporte más alto antes del primer ciclo y este va decrecer, sin embargo, este aporte no decae tan drásticamente como en el caso de máquinas asíncronas. Esta disminución se debe a que el flujo magnético del entrehierro de la máquina es mucho más grande cuando ocurre el cortocircuito que cuando han transcurrido algunos ciclos después de iniciada la falla. Este flujo magnético en el entrehierro disminuye debido a la limitada capacidad de la corriente de campo y al efecto desmagnetizante de la reacción de armadura lo cual causa que la corriente en el estator disminuya, lo anterior combinado con la constante de inercia de la máquina y de la carga hace que el. 15.

(26) aporte inclusive sobrepase los diez ciclos. La tensión interna de la máquina, inducida por el flujo magnético, determina la magnitud de la corriente de cortocircuito La corriente inicial es calculada usando la reactancia subtransitoria de la máquina. Sin embargo, para calcular el aporte en ciclos de interrupción (3-5) es necesario aplicar ciertos factores recomendados. Algunos de los factores de multiplicación y reactancias típicas de máquinas sincrónicas son presentadas a continuación en las tablas 1.3 y 1.4, respectivamente.. Tabla 1.3. Factores multiplicativos para reactancias de máquinas síncronas [10].. Tabla 1.4. Reactancias típicas para máquinas síncronas [10].. En caso de poder obtener las reactancias propias de la máquina existente en el sistema eléctrico a evaluar, lo que se recomienda es utilizar la reactancia subtransitoria. La reactancia transitoria se debe utilizar si se toma el cálculo para un tiempo entre tres y cinco ciclos, la cual es la reactancia aparente después de iniciada la falla. Para ciclos mayores a cinco, se debe utilizar la reactancia sincrónica. 16.

(27) 1.2.1.3 Contribución de la empresa de suministro de energía eléctrica. Esta contribución es básicamente la potencia que es capaz de contribuir la empresa de suministro de energía en el punto de servicio del edificio, industria o institución antes de que sus protecciones actúen. La empresa de suministro posee generadores, los cuales suministran la energía según sea la demanda de esta. En un evento de falla por cortocircuito el sistema demandará mucha energía, en donde la empresa de suministro automáticamente la brindará, hasta que esta falla sea aislada. La norma ANSI/IEEE 551-2006 hace una división en la generación entre remota y local. Una forma más simple de ver la generación remota serán todos los generadores que se encuentren a más de un transformador del sistema que va a ser sometido al estudio. Este aporte se comporta de manera distinta a los anteriores debido a que no poseen un decrecimiento en AC. La contribución de la empresa de suministro es vista como una fuente infinita de corriente de falla, donde la corriente aportada en la falla será igual en el primer ciclo como en el período de interrupción (3-5 ciclos). Esta será comúnmente el aporte más grande y en puntos como áreas de residencia o plantas detenidas será el único aporte de corriente de falla. En esta contribución, el transformador es el equipo que minimiza la corriente de falla aportada por la empresa de suministro eléctrico, el cual posee una impedancia base que será el primer obstáculo en encontrarse la corriente de falla que viene fuera del sistema eléctrico a estudiar. 1.2.1.4 Contribución de las plantas de cogeneración. Otra fuente de corriente de cortocircuito que generalmente no existía en el pasado, es la cogeneración, fenómeno en crecimiento, el cual en sitios remotos podrá reemplazar a la compañía distribuidora. Cuando se da un cortocircuito en un sistema alimentado por un generador, éste continua en producir tensión porque la excitación de campo se mantiene y el motor primario conserva la velocidad en el generador, la tensión generada produce una corriente de cortocircuito de gran magnitud que fluye hacia la falla, limitada solamente por su reactancia y la impedancia presente entre el generador y la falla. La figura 1.2 muestra los aportes de diferentes fuentes a la corriente de cortocircuito.. 17.

(28) Figura 1.2 Corrientes de cortocircuito aportadas por las diferentes fuentes [11].. A modo de conclusión, los motores sincrónicos deben siempre tomarse en cuenta, y los motores de inducción, sólo cuando interese encontrar la corriente inmediatamente después de presentarse la falla. La reactancia de las máquinas sincrónicas (motores y generadores) no tiene un solo valor como sucede con un transformador o un cable [12], sino que es compleja y variable con el tiempo. 1.2.2. Corrientes de cortocircuito. Teniendo en cuenta la ecuación descrita en 1827 por Georg Simon Ohm, al tener un nivel de tensión determinado y un decrecimiento repentino de la impedancia va a producir un acrecentamiento, en muchos casos, incontrolable de corriente. Este aumento de corriente produce un incremento deliberado de energía a la que todos los elementos eléctricos son sometidos a diferentes niveles. La capacidad de soportar esta energía, ecuación 1.1, es lo que puede diferir en seleccionar un interruptor u otro.. 18.

(29) 𝑒 = 𝑖2𝑡. (1.1). La corriente de cortocircuito disponible, se conoce como la máxima corriente de falla posible en un punto específico del sistema eléctrico a estudiar. Esta corriente es directamente proporcional a la cantidad y tamaño de las fuentes de corriente de falla. Estas fuentes de corriente de falla suelen ser generadores, motores y la empresa de suministro (contribución de la empresa de suministro) donde esta última, típicamente suele ser el mayor aporte [9]. El estudio de corrientes de cortocircuito permite conocer estas corrientes en distintos puntos de la instalación, donde los puntos de mayor interés son los paneles eléctricos (conocidos en los estudios eléctricos como buses o barras). Con estas corrientes de falla se puede realizar la selección de las capacidades de interrupción de las protecciones y conductores a instalar en el sistema. Para poder realizar un estudio de corrientes de cortocircuito es necesario tener cierta información del sistema eléctrico y recurrir a métodos manuales o simulaciones mediante software como a nivel nacional se realizan por confiabilidad. La información principal que se requiere para realizar el estudio es: . Diagrama unifilar de la instalación eléctrica completo y actual.. . Cargas conectadas en el sistema.. . Valores de impedancia subtransitoria de las máquinas eléctricas.. . Aporte a la compañía que suministra el servicio eléctrico.. . Perfiles de diferencia de potencial utilizadas en la instalación.[13]. 1.2.3. Corriente simétrica y corriente asimétrica. El adjetivo simétrica o asimétrica, describe la forma de onda de la corriente con base en el eje 0 en la ordenada. Lo anterior viene de la mano con el tipo de cargas existentes y conectadas en el sistema en el momento del cortocircuito. Por ejemplo, en un sistema con cargas meramente resistivas, la corriente respecto al tiempo tendrá una oscilación “simétrica” con base al eje x. Mientras que un sistema con cargas meramente inductivas tendrá una compensación positiva debido a la oscilación del flujo magnético de las distintas máquinas eléctricas (entiéndase como transformadores, motores de inducción y motores síncronos). 19.

(30) Como toda industria posee cargas resistivas e inductivas en el mismo sistema y como fue mencionado parte del aporte se ve disminuido ya que los aportes de motores son breves. Existe también un decrecimiento en corriente directa este debido al cambio según la energía de la resistencia de los equipos (i2R), figura1.3. La componente en DC suele ser máximo en el primer ciclo y según criterios de la ANSI/IEEE 551-2006 para 30 ciclos ya es cero [12].. Figura 1.3 Desarrollo de corriente de falla. En el análisis de corrientes de cortocircuito se utiliza como medida de tiempo, los ciclos, el cual se puede entender como el tiempo que tarde la corriente en completar un período en la onda sinusoidal. Los ciclos dependen directamente de la frecuencia utilizada, en el caso expuesto, con una frecuencia de 60 Hz, un ciclo equivale a 0.0167 segundos. La ventaja de utilizar ciclos y no segundos en el estudio de cortocircuito es que se evita el cambio de la escala de tiempo si la frecuencia es de 50 Hz o 60 Hz [9]. Con lo mencionado anteriormente, se tiene que la corriente de cortocircuito depende de tres componentes, la componente en DC que varía según la resistencia del sistema, la componente estable en AC aplicado principalmente por generadores y aporte de la empresa de suministro y la componente en AC en decrecimiento el cual se compone de los aportes por motores, como se muestra en la ecuación 1.2. 𝑖𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙= 𝑖DC 𝑑𝑒𝑐𝑟𝑒𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒+ 𝑖AC 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒+ 𝑖AC 𝑑𝑒𝑐𝑟𝑒𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒. (1.2) 20.

(31) La magnitud y duración de la corriente de falla asimétrica depende del factor X/R y del ángulo de desfase del voltaje en el momento que la falla ocurre. A mayor X/R más grande será la duración de la corriente asimétrica. La importancia de la asimetría en la corriente de cortocircuito es que esta en el primer ciclo puede llegar a ser 1.5 la corriente simétrica, lo que influye directamente en las fuerzas electromagnéticas a las que se someten los equipos que pueden llegar a ser 2.25 veces más grandes que las fuerzas causadas por la corriente simétrica y la energía convertida en calor. Además de la corriente asimétrica se requiere conocer el X/R del punto, esto para ser comparado con los factores utilizados en las pruebas de las protecciones. Este X/R del punto debe ser siempre menor al X/R de la prueba de la protección (típicamente es 15) para que la capacidad de interrupción del equipo no se vea afectado. El factor X/R es la relación que existe en el punto de cálculo, de la reactancia equivalente sobre la impedancia equivalente. Este factor es proporcional a la asimetría del sistema eléctrico, ya que a mayor inductancia en el sistema, se tendrá factores X/R más grandes, por lo tanto, mayor asimetría. La corriente de mayor importancia es la corriente de cortocircuito asimétrica, sin embargo, esta varía según el ciclo que se calcule, para los interruptores y cables en redes de baja tensión se recomienda utilizar la corriente en el primer ciclo. 1.2.4. Tipos de cortocircuitos. En los sistemas eléctricos se distinguen dos tipos de fallas de cortocircuito, las balanceadas o tripolares, y las desbalanceadas, también llamadas bipolares o unipolares [12]. Se dice que un cortocircuito es franco, cuando los procedimientos de cálculo se hacen en base a impedancia igual a cero en el punto de cortocircuito. . Falla balanceada.. La falla balanceada o tripolar, se da cuando las tres líneas del sistema son aterradas en un punto en el cual la tres tensiones de falla son nulas, y las tres fases tienen cargas simétricas, debido a las corrientes simétricas de cortocircuito, que están desfasadas 120 grados eléctricos, independientemente de si este punto está o no aterrado.. 21.

(32) Este tipo de falla se produce en un 5 % de los casos, y se le asocia por lo general, la capacidad de cortocircuito más alta, en relación con las demás tipos de fallas, así que el estudio de fallas trifásicas normalmente es suficiente para determinar las protecciones, en el caso de sistemas industriales. Sin embargo en grandes sistemas, cuando el neutro está francamente a tierra, la corriente máxima de cortocircuito se manifiesta para una falla monofásica a tierra, cuando los transformadores principales que alimentan el sistema están conectados en delta en la parte de alta tensión, y en estrella aterrizada francamente en el lado de baja. Normalmente los grandes sistemas, tienen sus transformadores puestos a tierra a través de reactancias o resistencias para limitar la corriente de cortocircuito monofásica a valores inferiores a la de cortocircuito trifásico. . Falla desbalanceada.. En este tipo de fallas, las tensiones no son todas nulas, debido a la asimetría, se produce la unión de fases y neutro, en caso de que este exista. Pueden ser cortocircuitos bipolares o unipolares. Las fallas bipolares o bifásicos (contactos fase a fase) con o sin contacto a tierra, se presentan en el 15 % de los casos. En cambio las fallas unipolares o monofásicas, se presentan con un 80 % de regularidad, son cortocircuitos de línea a tierra. Aunque la falla de línea a tierra sea el tipo de falla más común en los sistemas, interesa saber el valor máximo de corriente de falla, por lo que los procedimientos de cálculo de cortocircuitos se hacen en base a impedancia igual a cero en el punto de cortocircuito, o lo que es lo mismo, como cortocircuitos francos [8]. 1.3. Medidas para limitar las corrientes de cortocircuito. Debido a las grandes afectaciones que traen consigo las corrientes de cortocircuito a los sistemas eléctricos, se hace necesario establecer un grupo de medidas que limiten estas corrientes, entre las que se encuentran:  División o seccionalización de las redes. La seccionalización de las redes resulta efectiva en el caso que se dividan estas, donde las corrientes de cortocircuito resultan demasiado grandes. Esta medida disminuye el valor de la corriente de cortocircuito, pues las reactancias de todas las secuencias crecen. 22.

(33)  Instalación de reactores limitadores de corriente de cortocircuito. El reactor limitador de corriente (CLR) 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. Los reactores limitadores de corriente deben instalarse en sistemas de distribución o transmisión donde la corriente de cortocircuito potencial calculada excede la capacidad de ruptura de los elementos de interrupción asociados. La reactancia inductiva se elige para ser lo suficientemente baja para que genere una caída de tensión aceptable durante el funcionamiento normal, pero lo suficientemente alta como para restringir un cortocircuito a un nivel apropiado para los equipos instalados. 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 [14].  Fusibles limitadores de corriente. 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.  Limitadores de alta corriente por superconductor de la corriente de falla. Un limitador de corriente superconductor (SFCL), a diferencia de reactores o transformadores de impedancia alta, delimitará la corriente de falla actual sin añadir impedancia para el circuito durante la operación normal. La mayoría de SFCLs se basan en la propiedad “superconductora y normal” de transición (SN). Son los únicos. 23.

(34) materiales que cambian su resistencia automáticamente de cero para un valor alto cuando una cierta “corriente crítica” es sobrepasada [14]. 1.4. Dispositivos de interrupción de circuitos en redes industriales. Una vez conocidas las corrientes de cortocircuito, se seleccionan los dispositivos de interrupción, tomando en cuenta su capacidad interruptiva, así como la corriente nominal, número de polos, espacio, costo, etc. La protección ante cortocircuitos y sobrecargas de cualquier instalación eléctrica, requiere la aplicación de dispositivos de protección que cuando detecten un flujo anormal de corriente, tengan la capacidad de remover el circuito afectado, del resto del sistema [11]. Uno de los dispositivos de protección más usados en los sistemas industriales son los interruptores. El interruptor es un equipo indispensable en un sistema eléctrico de potencia. Su principal tarea es interrumpir corrientes de falla y aislar las partes falladas del sistema, además del libramiento de las corrientes de cortocircuito, un interruptor también debe ser capaz de interrumpir corrientes capacitivas, pequeñas corrientes inductivas y corrientes de carga.  Interruptores de alta y media tensión. . Interruptor en aire a la presión atmosférica.. . Interruptor en aceite.. . Interruptor en aire comprimido.. . Interruptor en hexafloruro de azufre.. . Interruptor en vacío..  Interruptores de baja tensión. . Interruptor de potencia.. . Interruptor de caja moldeada.. 24.

(35) 1.4.1. Selección de interruptores. Como se mencionó anteriormente, teniendo los niveles de cortocircuito, es necesario obtener una protección adecuada para poder interrumpir la falla y evitar riesgos mayores. El elemento más usado en las instalaciones de tiendas de autoservicio es el interruptor termomagnético, que por su diversidad y características resulta ser la mejor opción. Existen dos formas para interrumpir el flujo de la corriente: reduciendo a cero el potencial que lo genera y separando físicamente el conductor del flujo de corriente. Esta última, es la más usada para lograr dicha interrupción. Los primeros interruptores consistían en un juego de barras conductoras sumergidas en mercurio, posteriormente, se diseñó el interruptor con cuchillas, que aún es usado en algunas aplicaciones de baja tensión. En los interruptores modernos la interrupción es un proceso que inicia en el instante de separación de sus contactos. Éste continúa mientras los contactos se separan y forman un entrehierro que es puenteado por un plasma conductor. El proceso de interrupción termina cuando el plasma conductor pierde su conductividad. El plasma conductor es el núcleo del arco eléctrico y un elemento indispensable del proceso de interrupción de corriente. Basado en lo anterior, se deduce que el proceso de extinción del arco constituye el fundamento sobre el que se basa la interrupción de corriente. Las condiciones bajo las que el interruptor opera están determinadas por las características eléctricas del circuito a interrumpir. La operación de un interruptor modifica el estado del circuito en el cual opera. Esta modificación comprende una fase transitoria, en la que se producen una serie de fenómenos transitorios provocados por el paso de un estado a otro. El funcionamiento de los interruptores en el momento de interrupción de las corrientes de cortocircuito depende de varios factores que se consideran como condiciones severas. La corriente y la tensión de cortocircuito representada en la figura 1.4 muestran que al efectuarse la interrupción al cruce por cero de la corriente, la tensión que aparece en las terminales del interruptor tiene una influencia importante en su funcionamiento. De hecho, la interrupción exitosa de la corriente depende de esta tensión. 25.

(36) Dicha tensión después de la interrupción de la corriente, tiene dos componentes: la primera (inmediatamente después de la interrupción), llamada tensión transitoria de restablecimiento y la segunda (después de que se amortiguan las oscilaciones) que alcanza la tensión de 60 Hz, llamada tensión de recuperación. La selección de un interruptor en un sistema eléctrico depende no sólo de la corriente que el interruptor pueda llevar bajo condiciones normales de operación, sino también de la corriente máxima que pueda circular momentáneamente y de la corriente que tenga que interrumpir al voltaje nominal de la línea a la cual se encuentre conectado.. Figura 1.4 Tensiones producidas durante un corto circuito.. Para seleccionar un interruptor adecuado se debe conocer primero algunas definiciones que servirán de gran ayuda. A continuación se enuncian algunas de las más importantes: . Tensión normal de diseño: Es la tensión máxima para la que fue diseñado el interruptor.. . Tensión nominal de operación: Es la tensión del sistema donde operará el interruptor.. . Corriente nominal: Es la corriente máxima que puede circular a través de los contactos principales del interruptor.. . Capacidad interruptiva: Es la cantidad de corriente que el interruptor puede interrumpir con seguridad.. . Tensión de control: Es la tensión de los dispositivos secundarios de control. 26.

(37) De las definiciones anteriores la capacidad interruptiva es la más importante en la selección del interruptor de acuerdo al cálculo de cortocircuito trifásico. Esta característica también llamada la potencia máxima de cortocircuito que puede soportar un interruptor está limitada por: . La separación de los contactos en posición abierta.. . El tiempo que tardan en abrirse los contactos y llegar a la separación máxima.. . La capacidad de la cámara de extinción para enfriar los gases del arco.. Si la capacidad de cortocircuito se especifica en amperes se entiende que el voltaje de restablecimiento es el voltaje nominal. Si la corriente de cortocircuito sobrepasa la capacidad interruptiva, las paredes de la cámara de extinción no son capaces de enfriar los gases ionizados y la corriente sigue fluyendo. Entonces la energía disipada por el arco por efecto Joule, debida a la resistencia del arco (RI2t), aumenta súbitamente y en fracciones de segundo los gases elevan su volumen produciendo una explosión. Similar situación sucede si la corriente es menor que la corriente máxima de cortocircuito, pero el voltaje de restablecimiento es mayor que el voltaje nominal, ya que este voltaje restablece la corriente después de cada paso por cero y el arco se mantiene. Todos los interruptores deben tener un respaldo, de tal forma que si la potencia del cortocircuito es mayor a la que soporta el aparato, el respaldo opera y detiene el desarrollo de la energía en el arco del elemento que no pudo interrumpir. Entonces resulta muy importante la calibración relativa (magnitudes nominales) entre dos elementos de protección en la misma rama. Si el rango de calibración entre ambos es muy amplio, el respaldo puede considerar pequeña a una falla capaz de destruir al elemento de protección que no la interrumpió. De ahí que, la selección de los interruptores de potencia no es tan simple, ya que en un lapso que dura pocos ciclos, ocurren variaciones sensibles de los parámetros eléctricos y en la evolución de la propia corriente de cortocircuito. Este lapso es la suma de los tiempos necesarios para que el relevador de protección cierre sus contactos, la bobina de disparo del interruptor active su mecanismo de operación, los contactos del interruptor se separen y el arco se interrumpa dentro de su cámara.. 27.

(38) Los mayores esfuerzos térmicos y mecánicos se producen durante el primer medio ciclo debido a la componente de DC y a las aportaciones de corriente de generadores y motores. Desde el inicio del cortocircuito hasta la separación de los contactos del interruptor, la corriente disminuye debido al decrecimiento de la componente de DC y las modificaciones en los valores de las reactancias de las maquinas rotatorias. Por lo tanto, la corriente que el interruptor debe de interrumpir en los primeros ciclos después de que se originó la falla, es menor que el valor máximo durante el primer medio ciclo. Teniendo en cuenta, que la magnitud de la corriente de cortocircuito se modifica con el tiempo, se consideran dos tipos de capacidades de cortocircuito en los interruptores, la momentánea y la interruptiva.  Capacidad momentánea. Cuando se presenta una falla, todos los elementos de la red (cables, barras colectoras y dispositivos de desconexión) deben resistir los esfuerzos térmicos y mecánicos debidos a las elevadas corrientes de cortocircuito. En el caso de los interruptores, la capacidad momentánea o esfuerzo momentáneo se considera como la capacidad del interruptor para permanecer cerrado y resistir los esfuerzos térmicos y mecánicos producidos por la corriente máxima de cortocircuito del primer medio ciclo de falla[15].  Capacidad interruptiva. La capacidad interruptiva se considera como la capacidad de un interruptor para interrumpir el flujo de corriente de cortocircuito mediante su elemento interruptor después de dos, tres, cinco u ocho ciclos.. 28.

(39) CAPÍTULO. 2.. SISTEMA. ELÉCTRICO. DE. LA. TEXTILERA. “DESEMBARCO DEL GRANMA” Y METODOLOGÍA UTILIZADA PARA EL ESTUDIO DE LOS INTERRUPTORES. 2.1. Descripción del sistema eléctrico de la industria. La Empresa Textil “Desembarco del Granma”, perteneciente a la Unión Textil del Ministerio de la Industria Ligera, es muy representativa 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. La llegada del período especial tuvo por consecuencia una disminución drástica de la actividad productiva a menos de la décima parte de la capacidad de la empresa y menos aún entre 2001 y 2005 como efecto acumulativo de la ausencia de piezas de repuesto y otras causas. A partir de 1991 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. 29.