INSTALACIONES ELECTRICAS
EN ALTA TENSION
Instalaciones Eléctricas en Alta Tensión
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CAPITULO 1. GENERACION Y TRANSPORTE DE LA ENERGIA ELECTRICA. 1. INTRODUCCION.
2. GENERACION DE LA ENERGIA ELECTRICA. 2.1. CENTRALES HIDRAULICAS. 2.2. CENTRALES TERMICAS. 2.3. CENTRALES DE GAS.
2.4. OTRAS FUENTES DE ENERGIA.
3. TRANSPORTE Y DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. 4. EVALUACION DE CONSUMOS.
4.1. PREVISION DE POTENCIA EN LAS ZONAS DE ACTUACION. CAPITULO 2. APARAMENTA ELECTRICA DE ALTA TENSION.
1. CONCEPTOS GENERALES.
1.1. INTRODUCCION.
1.2. DEFINICIONES BASICAS.
1.3. DEFINICION DE MAGNITUDES COMUNES EN LA APARAMENTA DE CONEXION Y PROTECCION. VALORES NORMALIZADOS.
2. SECCIONADOR.
2.1. CARACTERISTICAS BASICAS.
2.2. ELECCION DEL SECCIONADOR. DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS ADECUADAS.
3. INTERRUPTOR-SECCIONADOR.
3.1. CARACTERISTICAS BASICAS.
3.2. ELECCION DEL INTERRUPTOR-SECCIONADOR. DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS ADECUADAS.
4. INTERRUPTOR AUTOMATICO.
5. FUSIBLES.
5.1. CARACTERISTICAS BASICAS.
5.2. ELECCION DEL FUSIBLE. DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS ADECUADAS.
5.3. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS FUSIBLES.
CAPITULO 3. CANALIZACIONES O CONDUCCIONES ELECTRICAS EN MEDIA TENSION. 1. INTRODUCCION. 2. CONDUCTORES DESNUDOS. 3. CONDUCTORES AISLADOS. 3.1. CONDUCTOR ELECTRICO. 3.2. AISLAMIENTO. 3.3. ARMADURAS Y PANTALLAS. 3.4. CUBIERTAS. 3.5. NIVEL DE AISLAMIENTO.
3.6. DESIGNACION NORMALIZADA DE UN CABLE AISLADO. 4. RESISTENCIA ELECTRICA DE LOS CONDUCTORES.
5. INDUCTANCIA DE LOS CONDUCTORES ELECTRICOS. 6. CAPACIDAD DE LOS CONDUCTORES ELECTRICOS. 7. EFECTO PELICULAR.
8. EFECTO CORONA.
9. PERDIDAS DE POTENCIA ELECTRICA POR CONDUCTANCIA TRANSVERSAL EN CONDUCTORES AISLADOS.
10. ELECCION DE LA SECCION DE UN CONDUCTOR.
10.1. ELECCION DE LA SECCION POR CRITERIO TERMICO O CALENTAMIENTO. INTENSIDAD MAXIMA ADMISIBLE.
10.2. ELECCION DE LA SECCION POR PERDIDA DE ENERGIA. CAIDA DE TENSION. 11. PROTECCION FRENTE A SOBREINTENSIDADES Y SOBRETENSIONES.
11.2. SOBRECARGAS.
11.3. CORTOCIRCUITOS.
11.4. SOBRETENSIONES.
CAPITULO 4. INSTALACIONES DE PUESTA A TIERRA EN ALTA TENSION. 1. INTRODUCCION.
2. FINALIDAD DE LA PUESTA A TIERRA EN LOS SISTEMAS ELECTRICOS.
3. PARAMETROS QUE CARACTERIZAN UNA INSTALACION DE PUESTA A TIERRA.
4. ESTRUCTURA Y DIMENSIONADO DE LA INSTALACION DE PUESTA A TIERRA EN CENTROS DE TRANSFORMACION.
4.1. DIMENSIONADO DE LA PUESTA A TIERRA DE LAS MASAS EN M.T.
4.1.1. CALCULO DE PARAMETROS CARACTERISTICOS DE LA PUESTA A TIERRA CON ELECTRODOS TIPO.
4.1.2. VALORES MAXIMOS ADMISIBLES PARA LAS TENSIONES DE CONTACTO Y DE PASO.
4.1.3. CONDICIONES DE SEGURIDAD.
4.1.4. ADOPCION DE MEDIDAS ADICIONALES DE SEGURIDAD.
4.2. PUESTA A TIERRA DE LOS ELEMENTOS CONDUCTORES DEL EQUIPO DE BAJA TENSION EN EL INTERIOR DEL C.T.
4.3. ESTRUCTURA Y DIMENSIONADO DE LA PUESTA A TIERRA DEL NEUTRO DEL TRANSFORMADOR.
4.3.1. LINEA PRINCIPAL DE TIERRA.
4.3.2. ELECTRODOS.
4.3.3. SEPARACION ENTRE LA TOMA DE TIERRA DE LAS MASAS DEL C.T. Y LA TOMA DE TIERRA DEL NEUTRO.
5. PUESTA A TIERRA DE LOS APOYOS DE LINEAS ELECTRICAS AEREAS DE ALTA TENSION.
6. EJEMPLO DE PUESTA A TIERRA EN CENTROS DE TRANSFORMACION.
CAPITULO 5. CALCULO MECANICO DE LINEAS ELECTRICAS AEREAS DE ALTA TENSION. 1. INTRODUCCION.
2.1. ECUACION GENERAL. 2.2. LONGITUD DEL CABLE.
2.3. EXPRESION DE LA TENSION DEL CABLE EN UN PUNTO EN FUNCION DE LA ORDENADA DE DICHO PUNTO.
2.4. FLECHA DEL CABLE.
2.5. APROXIMACION POR EL METODO DE LA PARABOLA.
2.6. GENERALIZACION DEL METODO DE LA CATENARIA PARA VANOS DE GRAN LONGITUD Y DESNIVEL.
3. CALCULO DE CONDUCTORES.
3.1. CALCULO DE LA TENSION MAXIMA ADMISIBLE.
3.2. FLECHAS MAXIMAS DE LOS CONDUCTORES Y CABLES DE TIERRA. 3.3. COMPROBACION DE FENOMENOS VIBRATORIOS.
3.4. COMPROBACIONES VARIAS.
3.5. ECUACION DE CAMBIO DE CONDICIONES. 3.6. VANO IDEAL DE REGULACION.
3.7. GENERALIZACION DE LA ECUACION DEL CAMBIO DE CONDICIONES POR EL METODO DE LA CATENARIA. 4. CALCULO DE APOYOS. 4.1. INTRODUCCION. 4.2. HIPOTESIS DE CALCULO. 4.3. ACCIONES A CONSIDERAR. 4.3.1. CARGAS VERTICALES. 4.3.2. CARGAS HORIZONTALES.
4.4. ELECCION DEL APOYO. 5. CALCULO DE CIMENTACIONES
5.1. MOMENTO ABSORBIDO POR LA CIMENTACION. 5.2. MOMENTO DEBIDO AL ESFUERZO EN PUNTA.
6. CADENAS DE AISLADORES 6.1. CALCULO ELECTRICO. 6.2. CALCULO MECANICO.
6.3. ANGULO DE DESVIACION DE LA CADENA DE SUSPENSION. 7. DISTANCIAS DE SEGURIDAD.
7.1. DISTANCIA DE LOS CONDUCTORES AL TERRENO. 7.2. DISTANCIA DE LOS CONDUCTORES ENTRE SI. 7.3. DISTANCIA DE LOS CONDUCTORES AL APOYO. 8. CRUZAMIENTOS Y PARALELISMOS.
CAPITULO 1. GENERACION Y TRANSPORTE DE LA ENERGIA ELECTRICA.
1. INTRODUCCION.2. GENERACION DE LA ENERGIA ELECTRICA. 2.1. CENTRALES HIDRAULICAS. 2.2. CENTRALES TERMICAS. 2.3. CENTRALES DE GAS.
2.4. OTRAS FUENTES DE ENERGIA.
3. TRANSPORTE Y DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. 4. EVALUACION DE CONSUMOS.
Capítulo 1. Generación y transporte de la energía
eléctrica.
1. Introducción
En nuestro bienestar y trabajo diario precisamos de energía, mecánica, calorífica, etc, la cual obtenemos principalmente de la electricidad. Por su facilidad en la generación, transporte y conversión (recíproca) en otras formas de energía, han hecho de la energía eléctrica un elemento casi imprescindible en nuestras vidas.
2. Generación de la energía eléctrica
La obtención de la energía eléctrica se realiza a partir de otras fuentes de energía, siendo las más importantes las descritas a continuación.
2.1. Centrales hidráulicas
En ellas, la energía potencial del agua entre dos puntos a diferente nivel se transforma en energía eléctrica, mediante el movimiento de una turbina que en el mismo eje arrastra el rotor de un generador. La velocidad de giro de estas máquinas es baja, por lo que suelen ser generadores voluminosos al poseer varios pares de polos (n= 60 · f / p ; f = 50 Hz).
Puesto que se necesita una cuenca hidráulica con caudal y desnivel suficiente y además la fuente de energía, el agua, está sujeta a variaciones que no podemos controlar, esto obliga en los países desarrollados a combinar esta fuente de energía con otras. Tienen como ventaja el no contaminar el medio ambiente.
2.2. Centrales térmicas
Otra posibilidad de producción de energía eléctrica procede de la obtención de trabajo a partir de calor. Este proceso es el que tiene lugar en las centrales térmicas, las cuales se clasifican en centrales térmicas clásicas y centrales térmicas nucleares.
2.2.1. Centrales térmicas clásicas.
En ellas, a partir de la combustión de un combustible fósil, carbón, fuel-oil, etc, se obtiene calor que se utiliza en producir y sobrecalentar vapor de agua, el cual al expansionarse en una turbina de vapor produce el movimiento de ésta arrastrando un generador.
Suelen ser máquinas más rápidas, y por tanto los generadores más esbeltos (menor número de pares de polos).
Hoy en día es difícil prescindir de esta fuente de energía, no obstante presentan grandes inconvenientes debido a las reservas limitadas de combustibles fósiles, así como la elevada emisión de contaminantes a la atmósfera durante su funcionamiento normal.
2.2.2. Centrales Nucleares.
En éstas, la fuente de energía térmica es la fisión del uranio enriquecido. A través de un circuito primario que conecta el reactor nuclear con un circuito secundario, se produce vapor de agua, continuando el proceso de forma equivalente a una térmica clásica.
Este tipo de centrales no contaminan durante su funcionamiento normal, pero presentan riesgos muy grandes para las personas en caso de averías, y existen grandes dificultades para la eliminación de residuos radiactivos.
2.3. Centrales de gas
Se utilizan turbinas de gas en vez de vapor; en ellas los productos de la combustión del gas salen a gran velocidad a través de la turbina, la cual arrastra un generador.
Son muy rápidas (uno o dos pares de polos), sin embargo, la producción de energía resulta a un coste mayor, por lo que su utilización es baja.
2.4. Otras fuentes de energía
Aparte de las fuentes de energía mencionadas anteriormente, existe la energía eólica, mareomotríz, instalaciones minihidráulicas, etc, que tienen poco peso actualmente en la producción de energía eléctrica por su bajo rendimiento en general. No obstante, empiezan a proliferar industrias con gran consumo de energía térmica que utilizan la energía residual para producir electricidad (cogeneración), las cuales pueden tener en el futuro un peso importante.
Todas las fuentes de energía descritas constituyen la producción total de energía eléctrica en un país desarrollado, no existe aún ninguna fuente que pueda ser utilizada en exclusiva. Todas, cada una con sus ventajas e inconvenientes, contribuyen a la producción total de energía eléctrica.
Se presenta la siguiente tabla de producción de energía eléctrica en España en los últimos años, en GWh.
Termoeléctrica
Año Hidroeléctrica Clásica Nuclear Total
1980 30.807 74.490 5.186 110.483 1981 23.178 78.486 9.568 111.232 1982 27.394 78.404 8.771 114.569 1983 28.865 77.670 10.661 117.196 1984 33.420 63.536 23.086 120.042 1985 33.033 66.286 28.044 127.363 1986 27.415 64.276 37.458 129.149 1987 28.167 63.952 41.271 133.390 1988 36.233 52.872 50.466 139.571 1989 20.047 71.669 56.126 147.842 1990 26.184 71.289 54.268 151.741 1991 28.367 75.449 55.576 159.392 1992 20.570 84.753 55.782 161.105 1993 25.728 79.103 56.059 160.890 1994 29.119 80.509 55.314 164.942 1995 24.759 88.700 55.445 168.904
3. Transporte y distribución de energía eléctrica
La energía eléctrica como tal no puede almacenarse en los niveles de consumo actuales, así pues, para que exista una situación estable en el sistema eléctrico global, debe haber un equilibrio constante entre la energía producida y la consumida. Esto obliga a transportar la energía eléctrica desde los puntos de generación hasta los lugares de consumo (del orden de cientos a miles de km).
En los primeros desarrollos de la energía eléctrica, la que se conocía y de la que podían obtenerse aplicaciones útiles, era la que producía corriente continua (energía química en energía eléctrica). No obstante, las instalaciones de transporte de corriente continua presentaban grandes limitaciones, tanto en el transporte de grandes bloques de energía como en la distancia a transportarlos.
Las pérdidas de potencia activa en una línea eléctrica de transporte pueden expresarse:
2 2 2 U S l R I L R P= ⋅ = ⋅ ∆
Así pues, para evitar grandes pérdidas de potencia activa (grandes caídas de tensión), el
valor eficaz de la tensión debe ser lo mayor posible para una potencia dada S (kVA), lo cual
obliga en corriente continua a la construcción de grandes generadores, debido a la imposibilidad de transformar el nivel de tensión.
Posteriormente, el principio de inducción de FARADAY (1.831) dio lugar a corrientes y
tensiones alternas, lo cual, junto a la aparición del transformador (1.884) hizo posible el transporte de grandes bloques de energía a grandes distancias, con el mínimo de pérdidas posibles de potencia activa y utilizando en la generación máquinas de un coste permisible; esto último ha hecho que se imponga la corriente alterna frente a la continua.
Para mantener el equilibrio entre la energía eléctrica generada y la consumida es necesario crear grandes redes interconectadas, a las que se unen por una parte gran número de generadores y por otra gran número de consumidores, de forma que el equilibrio pueda obtenerse a pesar de pequeñas variaciones producidas en alguna de estas instalaciones.
Puesto que estas redes recorren grandes distancias y transportan grandes bloques de energía, su tensión es muy elevada (220 ó 400 kV), constituyendo la red nacional de transporte de energía eléctrica.
Puesto que la tensión de los generadores suele estar entre 10 o 20 kV, se utilizan transformadores para la elevación del valor eficaz de la tensión hasta los valores de transporte señalados.
Cuando las redes de transporte llegan a los grandes centros de consumo como las ciudades, se emplean varias estaciones transformadoras primarias alrededor de los citados centros, donde se reduce la tensión a valores del orden de 132, 66 kV, etc.
A estas tensiones se crea una red de subtransporte interconectada que rodea las ciudades o una comarca (agrupando varios pueblos) y que alimenta a varias estaciones
transformadoras secundarias. Las subestaciones reducen la tensión a valores que clásicamente
reciben el nombre de Media Tensión (15, 20, 25 o 30 kV). Las líneas de distribución que salen de las subestaciones en media tensión se adentran en los núcleos de consumo (planes de actuación, polígonos industriales, residenciales, etc) para alimentar los transformadores o centros
de transformación, los cuales proporcionan normalmente un nivel de baja tensión inferior a 1.000
V (230/400 V como tensión más común de utilización). A este nivel se alimentan los edificios destinados principalmente a viviendas, factorías o industrias, locales comerciales, alumbrados públicos y redes de distribución en baja tensión.
Como resumen de lo expuesto se presentan a continuación las distintas etapas del transporte y distribución de la energía eléctrica.
--- PRODUCCION ---TRANSPORTE --- GENERACION 10 kV a 20 Kv ⇒ PARQUE DE TRANSFORMADORES EN LAS CENTRALES GENERADORAS 220 kV a 400 kV ⇒ --- SUBSTRANSPORTE --- DISTRIBUCION --- ESTACIONES TRANFORMADORAS PRIMARIAS 66 kV a 132 kV ⇒ SUBESTACIONES TRANSFOMADORAS 15 kV a 25 kV ⇒ CENTROS DE
TRANSFORMACION BAJA TENSION (230/400 V) ⇒
CONSUMIDORES DE USO COMUN B.T.
Asimismo y de cara a normalizar los valores o niveles de tensión mencionados, el
Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en líneas eléctricas de Alta Tensión define en la ITC-LAT 01.Terminología:
Tensión nominal de una red trifásica (Un). Valor de la tensión entre fases por el cual se denomina
la red, y a la cual se refieren ciertas características de servicio de la red.
Tensión más elevada de una red trifásica (Us). Valor más elevado de la tensión eficaz entre
fases, que puede presentarse en un instante y en un punto cualquiera de la red, en las condiciones normales de explotación. Este valor no tiene en cuenta las variaciones transitorias (por ejemplo, maniobras en la red) ni las variaciones temporales de tensión debidas a condiciones anormales de la red (por ejemplo, averías o desconexiones bruscas).
Las “ tensiones nominales”, así como los valores correspondientes de las “tensiones más elevadas”, se incluyen en el cuadro adjunto.
Categoría de la línea Tensión nominal (Un) kV Tensión más elevada (Us) kV
3ª 3 6 10 15 20 25 30 3,6 7,2 12 17,5 24 30 36
2ª 45 66 52 72,5 1ª 110 132 150 123 145 170 Especial 220 400 245 420
Las líneas eléctricas aéreas de Alta Tensión se clasifican según se ha señalado: Categoría Especial. Las de tensión nominal igual o superior a 220 kV.
Primera Categoría. Las de tensión nominal inferior a 220 kV y superior a 66 kV Segunda Categoría. Las de tensión nominal igual o inferior a 66 y superior a 30 kV. Tercera Categoría. Las de tensión nominal igual o inferior a 30 kV y superior a 1 kV.
Las redes de distribución en media tensión (15 a 30 kV), son el objetivo primordial de desarrollo de este libro, tanto en conductores aislados como en líneas aéreas, pues son a las que tiene acceso normalmente el técnico proyectista.
Dichas redes en media tensión suelen disponerse en forma radial, es decir, la energía fluye en un único sentido desde la subestación o conexión a una línea existente hasta los centros de transformación. Esta estructura suele mantenerse en la mayoría de redes rurales que son construidas con líneas aéreas. En los núcleos urbanos y polígonos industriales o residenciales, con el objeto de reducir el número de interrupciones y proporcionar un mejor servicio, las redes de media tensión suelen hacerse subterráneas con conductores aislados y en estructura mallada, aunque algunas durante la explotación se mantienen de forma radial, manteniendo algún punto abierto. También existe la posibilidad de alimentar desde dos puntos diferentes, aunque en funcionamiento se tenga alimentado desde uno y el otro abierto.
A continuación se presentan distintas estructuras de las redes de distribución en Media Tensión.
a) Red radial o lineal con una sola alimentación.
c) Red en anillo.
e) Red en huso.
Siendo:
4. Evaluación de consumos
A la hora de diseñar nuestras redes de distribución en Media Tensión, necesitamos conocer entre otros datos los consumos de dicha red, es decir, la potencia de los centros de transformación a alimentar, para así poder realizar el cálculo completo de la red.
4.1. Previsión de potencia en las zonas de actuación
La potencia total prevista en las zonas de actuación Pt en KW, se obtiene mediante la expresión:
Pt = Pv + Pc + Pi + Pd + Pp + Ph + Pa + Pe Considerando:
Pv = Potencia correspondiente a viviendas; se determina según ITC-BT 10 del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión.
Pc = Potencia correspondiente a locales comerciales; se determina a razón de 100 W/m2 de superficie construida, y con el coeficiente de simultaneidad que se estime necesario (previsión mínima por local 3,45 kW), según ITC-BT 10 del Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión. Pi = Potencia correspondiente a los locales industriales o industrias; se determina a razón de 125 W/m2 de superficie construida (previsión mínima por local 10,35 kW), según ITC-BT 10 del
Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión. A la potencia total obtenida se le suele aplicar un coeficiente de simultaneidad comprendido entre 0,10 y 0,20, debido a consideraciones urbanísticas de edificabilidad, volumen, etc, y según las características particulares del tipo de industria que se pretende implantar en la zona.
Pd = Potencia correspondiente a centros de enseñanza, guarderías y docencia en general; se determina a razón de 500 W/plaza en ausencia de datos (NTE IER).
Pp = Potencia correspondiente a locales de pública concurrencia, centros religiosos, salas de exposiciones, cinematógrafos; se determina a razón de 50 W/m2 en ausencia de datos (NTE IER).
Ph = Potencia correspondiente a establecimientos hoteleros o alojamientos turísticos; se determina a razón de 1000 W/plaza, con un mínimo de 100 kW para establecimientos cuya capacidad sea igual o superior a 50 plazas y con un mínimo de 25 kW para establecimientos cuya capacidad sea inferior a 50 plazas (NTE IER).
Pa = Potencia correspondiente al alumbrado público; se determina según estudio luminotécnico. En ausencia de datos se puede estimar una potencia de 1,5 W/m2 de vial.
Pe = Potencia correspondiente a edificios o instalaciones especiales, tales como centros médicos, polideportivos, industrias, etc.
También puede el usuario obtener la potencia total de una zona de actuación (polígono industrial, residencial, etc), a razón de 20-30 VA/m2 incluidos servicios y dotaciones. Los dos procedimientos llevan a resultados muy parecidos.
La potencia de transformadores en kVA y el número de centros de transformación se determina según la tabla adjunta, a partir de la densidad de potencia o cociente entre Pt y la superficie servida, expresada en kW/ha.
Densidad de Potencia kW/ha Potencia Transformadores kVA Número de Centros de Transformación
KW/ha ≤ 50 250 Pt/250
50 < kW/ha < 100 400 Pt/400
KW/ha ≥ 100 2 ud de 400 ó 1 de 630 Pt/600
En el caso de existir zonas definidas con distintos aprovechamientos urbanísticos del suelo, se aplicará el procedimiento señalado a cada zona separadamente.
Para la determinación de los puntos de emplazamiento de los centros de transformación se divide cada zona en tantos sectores como centros de transformación hayan resultado para la misma, de forma que la potencia demandada por cada sector en kW se aproxime por defecto a la potencia en kVA elegida para los centros de dicha zona.
Cada centro de transformación se emplaza lo más próximo posible al centro de gravedad de las potencias de cada sector.
CAPITULO 2. APARAMENTA ELECTRICA DE ALTA TENSION.
1. CONCEPTOS GENERALES.1.1. INTRODUCCION.
1.2. DEFINICIONES BASICAS.
1.3. DEFINICION DE MAGNITUDES COMUNES EN LA APARAMENTA DE CONEXION Y PROTECCION. VALORES NORMALIZADOS.
2. SECCIONADOR.
2.1. CARACTERISTICAS BASICAS.
2.2. ELECCION DEL SECCIONADOR. DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS ADECUADAS.
3. INTERRUPTOR-SECCIONADOR.
3.1. CARACTERISTICAS BASICAS.
3.2. ELECCION DEL INTERRUPTOR-SECCIONADOR. DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS ADECUADAS.
4. INTERRUPTOR AUTOMATICO.
4.1. CARACTERISTICAS BASICAS.
4.2. ELECCION DEL INTERRUPTOR AUTOMATICO. DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS ADECUADAS.
5. FUSIBLES.
5.1. CARACTERISTICAS BASICAS.
5.2. ELECCION DEL FUSIBLE. DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS ADECUADAS.
Capítulo 2. Aparamenta eléctrica de alta tensión
1. Conceptos generales
1.1. Introducción
Se designa como aparamenta eléctrica de Alta Tensión al conjunto de aparatos electromecánicos que se utilizan para la conexión y desconexión de circuitos eléctricos de Alta Tensión. Conviene señalar que el objetivo de este capítulo será únicamente la aparamenta de conexión y/o desconexión sin entrar en la de mando. Tampoco se contemplan aparatos electrónicos, como variadores de frecuencia, reguladores de velocidad, etc. Por último, señalar que el ámbito de aplicación serán las redes de distribución de Media Tensión hasta 72,5 kV de tensión más elevada (Us).
La normativa básica para dicha aparamenta se encuentra en los Reglamentos de Alta Tensión e Instrucciones Técnicas complementarias (MIE RAT e ITC), concretamente en:
MIE RAT 01: Terminología.
MIE RAT 02: Normas de obligado cumplimiento (UNE, etc). MIE RAT 06: Aparatos de maniobra de circuitos.
ITC-LAT 01: Terminología.
ITC-LAT 02: Normas y especificaciones técnicas de obligado cumplimiento. Aparamenta. Las funciones principales de la aparamenta consisten en:
- MANIOBRA.
- Dejar sin servicio cargas (para su mantenimiento). - Conmutar cargas y alimentación a redes.
- PROTECCION.
- Reducir o evitar los efectos de las sobreintensidades (sobrecargas y cortocircuitos) y sobretensiones en situaciones anómalas.
1.2. Definiciones básicas
1.2.1. Seccionador.Aparato mecánico de conexión cuya función principal es la de seguridad, haciendo visible la apertura de circuitos sin servicio. En posición abierto asegura una distancia de seccionamiento que satisface las condiciones especificadas en las normas.
Es un aparato que no está diseñado para establecer o interrumpir (cortar) corrientes, por lo tanto su apertura o cierre se efectúa siempre cuando por el circuito no circula corriente. Efectúa por tanto sólo maniobra y en las condiciones señaladas.
1.2.2. Interruptor-Seccionador.
Aparato mecánico de conexión capaz de establecer, mantener e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito. Puede establecer, pero no cortar intensidades de cortocircuito
(c.c.), no posee poder de corte.
En la posición de abierto cumple las especificaciones del seccionador. Su misión principal es de maniobra. Para la protección de circuitos debe ir asociado con otros elementos fusibles, relés directos o indirectos.
1.2.3. Interruptor Automático.
Interruptor capaz de establecer, mantener e interrumpir la intensidad de la corriente de servicio, o de interrumpir automáticamente o establecer, en condiciones determinadas, intensidades de corriente elevadas, tales como las corrientes de cortocircuito (c.c.).
Su función principal es la de protección de las instalaciones frente a sobrecargas y cortocircuitos (sobreintensidades). Posee poder de corte.
1.2.4. Fusible.
Elemento de protección que mediante la fusión de uno de sus componentes permite la
desconexión de los circuitos cuando están recorridos por una intensidad superior a la normal (intensidad de sobrecarga o cortocircuito).
Deberá ir siempre acompañado de un elemento de conexión, por ello se utilizan aparatos combinados a base de un aparato de conexión (normalmente interruptor-seccionador) y fusibles, formando un solo aparato; comercialmente existen diversas denominaciones, la más común “Ruptofusibles”. Posee poder de corte.
1.3. Definición de magnitudes comunes en la aparamenta de conexión y
protección. Valores normalizados
En este apartado señalaremos características comunes y valores normalizados en la aparamenta de Media Tensión.
1.3.1. Poder de Corte.
Es el valor de la intensidad prevista de corte que un aparato es capaz de interrumpir bajo una tensión dada y en unas condiciones determinadas, como las de cortocircuito (c.c.).
Para poder comparar aparatos por su poder de corte, se deben referir a las mismas condiciones de ensayo normalizadas. De los aparatos mencionados sólo poseen poder de corte los interruptores automáticos y los fusibles. Los valores más usuales en Media Tensión varían entre 12,5 y 31,5 kA para interruptores automáticos y entre 20 y 50 kA para fusibles.
1.3.2. Poder de Cierre.
Definición idéntica a la del poder de corte, pero referida a la intensidad que un aparato es capaz de establecer en un circuito.
No es un valor muy empleado a la hora de determinar las características adecuadas de un aparato de conexión.
La tensión asignada indica la tensión más elevada (Us) de la red para la cual está prevista la aparamenta. Este valor es equivalente al valor nominal para las condiciones especificadas de funcionamiento.
Según vimos en el capítulo 1, se tiene: 3,6 kV, 7,2 kV, 12 kV, 17,5 kV, 24 kV, 30 kV, 36 kV, 52 kV y 72,5 kV.
1.3.4. Intensidad asignada en servicio continuo.
Es el valor eficaz de la intensidad de corriente que un aparato es capaz de soportar indefinidamente en las condiciones prescritas de funcionamiento.
Los valores más usuales para Media Tensión (A) son: - Fusibles: 6-10-16-20-25-40-50-63-80-100-125
- Interruptores Automáticos: 400-630-800-1250-1600-2000-2500-3150 - Seccionadores e Interruptores-Seccionadores: 400-630-1250.
Conviene señalar que la intensidad nominal o asignada para seccionadores, según la MIE RAT 06, es de 200 A como mínimo, siendo los valores usuales los señalados anteriormente. 1.3.5. Nivel de aislamiento. Tensiones de ensayo soportadas.
Estos valores vienen definidos, en la “MIE RAT 12. Aislamiento”, por las tensiones nominales soportadas para distintos tipos de solicitaciones dieléctricas, reunidos en tres grupos según los valores de la tensión más elevada (Ume) para el material:
- Grupo A. Tensión mayor de 1 kV y menor de 52 kV.
- Grupo B. Tensión igual o mayor de 52 kV y menor de 300 kV. - Grupo C. Tensión igual o mayor de 300 kV.
Asimismo debe seguirse lo especificado en la norma “UNE 21-062-80 (1) 1R. Coordinación de aislamiento. Términos, definiciones, principios y reglas” y la “UNE 21-062-80 (2) 1R. Coordinación de aislamiento. Guía de aplicación”.
A continuación se presenta la siguiente tabla para la elección del nivel de aislamiento asignado a un aparato de Media Tensión, en kV.
Tensión soportada a impulsos tipo rayo (valor de cresta)
Lista 1 Lista 2
Tensión a frecuencia industrial durante 1 minuto
(valor eficaz) Tensión más elevada (Ume) (valor eficaz) (1) (2) (1) (2) (1) (2) 3,6 20 23 40 46 10 12 7,2 40 46 60 70 20 23 12 60 70 75 85 28 32 17,5 75 85 95 110 38 45 24 95 110 125 145 50 60 36 145 165 170 195 70 80 52 - - 250 290 95 110 72,5 - - 325 375 140 160
(1). A tierra, entre fases y entre bornes del aparato de conexión abierto (kv). (2). A la distancia de seccionamiento (kv).
Los valores de la tensión soportada (kv) a la distancia de seccionamiento son válidos para aparatos cuya distancia de aislamiento entre los contactos abiertos esté prevista para satisfacer las condiciones de seguridad especificada para los seccionadores. Se aplicará a los seccionadores, seccionadores de puesta a tierra e interruptores seccionadores.
Por último, cabe señalar que la elección entre la Lista 1 o la Lista 2, según MIE RAT 12, deberá hacerse considerando el grado de exposición a las sobretensiones de tipo rayo y maniobra, las características de puesta a tierra de la red y, cuando exista, el tipo de dispositivo de protección contra las sobretensiones.
Así pues, para niveles de aislamiento nominales para materiales del Grupo A, redes de 3ª categoría, el material que responda a la lista 1 es utilizable en instalaciones cuando el neutro esté puesto a tierra directamente o bien a través de una impedancia de pequeño valor.
Para evaluar el grado de exposición a las sobretensiones de tipo rayo, puede consultarse el Mapa de frecuencia de tormentas en España, según “MIE RAT 09. Protecciones”. 1.3.6. Frecuencia asignada.
Los valores usuales de frecuencia asignada a los aparatos de conexión es de 50 Hz en Europa.
2. Seccionador
2.1. Características básicas
Según las definiciones del apartado 1.2., el seccionador es un aparato mecánico de conexión, cuya función principal es la de seguridad, haciendo visible la apertura de circuitos sin servicio.
Las partes que lo componen pueden apreciarse en la figura siguiente.
2.1.1. Funciones.
Las funciones principales de los seccionadores de Media Tensión son:
- Aislar o separar máquinas, transformadores, líneas y otros circuitos. Su apertura o cierre se efectúa siempre cuando por el circuito no circula corriente. En posición de abierto asegura una distancia de seccionamiento que puede ser comprobada a simple vista.
- Puesta a tierra de líneas aéreas y cables aislados, sin carga, para evitar riesgos a personas por la posible presencia de corrientes capacitivas. En este caso, según MIE RAT 06, los seccionadores estarán equipados de cuchillas de puesta a tierra y deberán estar dotados de un enclavamiento seguro entre las cuchillas principales y las de puesta a tierra.
2.1.2. Tipos.
Los seccionadores podemos encontrarlos, desde un punto de vista constructivo: - Seccionadores de interior o de exterior.
- Seccionadores unipolares o tripolares. El Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de
seguridad en líneas eléctricas de alta tensión sólo permite seccionadores unipolares accionables
con pértiga para líneas de tensión nominal igual o inferior a 30 kV. - Seccionadores de cuchillas giratorias o deslizantes.
2.1.3. Maniobra. Accionamiento.
El accionamiento o maniobra de apertura/cierre de un seccionador puede realizarse: - Por actuación directa sobre las cuchillas mediante pértiga aislante. Sólo en los unipolares. - Por palanca situada en un extremo del eje de accionamiento, accionada por a) pértiga aislante, b) manivela situada distante del seccionador y enlazada mecánicamente con el eje a través de la palanca de accionamiento. Este último caso es el más usual por su seguridad.
- Mediante motor eléctrico situado distante del seccionador y enlazado mecánicamente con el eje de éste.
2.2. Elección del seccionador. Determinación de las características adecuadas
Según MIE RAT 06, los seccionadores deberán ser de modelo y tipo adecuado a la índole de su función, a la instalación y a la tensión e intensidad de servicio. Asimismo sus accionamientos tienen que estar dispuestos de manera tal que no maniobren intespectivamente por los efectos de la presión o de la tracción ejercida con la mano sobre el varillaje, por la presión del viento (exteriores), por la fuerza de la gravedad o bajo los efectos electrodinámicos producidos por las corrientes de cortocircuito.Según esto y siguiendo las especificaciones del apartado “1.3.Valores Normalizados”, elegimos el seccionador adecuado según:
2.2.1. Tipo.
De interior o exterior, unipolar o tripolar, según las características de la instalación. 2.2.2. Tensión asignada.
aparecer en el punto de su instalación, esto es, Ua ≥ Us, siendo: Ua: Tensión asignada en kV.
Us. Tensión más elevada de la línea en kV. 2.2.3. Intensidad asignada.
La intensidad asignada debe ser igual o superior a la máxima prevista en servicio continuo de circulación por el aparato, esto es, Ia ≥ Ical, siendo:
Ia: Intensidad asignada en Amperios. Mínimo 200 A.
Ical: Intensidad máxima prevista a circular, en servicio continuo, por el aparato, en Amperios. 2.2.4. Nivel de aislamiento.
El nivel de aislamiento o tensiones de ensayo soportadas deberá obtenerse de la tabla descrita en 1.3., según la Ume (kV).
2.2.5. Frecuencia asignada. Normalmente 50 Hz.
2.2.6. Intensidad asignada de corta duración.
Por último, debemos vigilar este dato importante, ya que los seccionadores no tienen poder de corte ni de cierre, sin embargo, en posición cerrado pueden soportar intensidades elevadas de corta duración, como las de c.c., al igual que un conductor eléctrico. La relación vendrá dada por su I2 · t = cte.
Así pues, su intensidad admisible de corta duración (c.c.) tendrá que se mayor que la máxima intensidad de cortocircuito que se pueda producir en el punto en que está instalado y soportarla el tiempo de actuación de las protecciones (interruptores automáticos, fusibles, etc). Asimismo deberán soportar los tiempos máximos de actuación de las protecciones en caso de defecto, dadas por las compañías eléctricas (entre 0,5 y 1 s).
3. Interruptor-seccionador
3.1. Características básicas
El interruptor-seccionador, por las definiciones básicas del apartado 2.1., es un elemento de maniobra capaz de establecer, mantener e interrumpir corrientes en condiciones normales de funcionamiento. No posee poder de corte, pero sí poder de cierre, el cual debe ser independiente de la acción del operador.
Se prohíbe la utilización de interruptores previstos para cierre manual, en los cuales el movimiento de los contactos sea dependiente de la actuación del operador.
Estas características le confieren su aplicación como interruptor. Como seccionador, en posición de abierto cumple las especificaciones de éste.
Al igual que los seccionadores, en la MIE RAT 02, se señalan las normas UNE de obligado cumplimiento para estos aparatos.
Fig. 2.2. Interruptor-seccionador con fusibles.
2.2.1. Funciones.
Las funciones o aplicaciones principales de los interruptores-seccionadores son:
- De maniobra. Aislar o separar máquinas, transformadores, líneas y otros circuitos. Su apertura o cierre puede realizarse en carga. En posición abierto asegura una distancia de seccionamiento visible a simple vista.
- De protección. Para protección a sobreintensidades (sobrecargas y c.c.) de máquinas, transformadores, etc. Por sí solo el interruptor-seccionador no puede efectuar la protección de elementos; para poder realizar esta función debe ir asociado con otros elementos de protección como relés térmicos directos o indirectos, o fusibles como caso más usual, dando lugar a un aparato combinado (Ruptofusible). Para ser posible esto, el interruptor-seccionador debe ir dotado de un mecanismo de accionamiento con elemento de retención.
- Puesta a tierra de líneas aéreas y cables aislados, para evitar riesgos a personas por la posible presencia de corrientes capacitivas. En este caso, según MIE RAT 06, los seccionadores-interruptores estarán equipados de cuchillas de puesta a tierra y deberán estar dotados de un enclavamiento seguro entre las cuchillas principales y las de puesta a tierra.
Debido a todas las funciones o aplicaciones descritas, por su comportamiento como interruptor (maniobra en carga) y como seccionador, este aparato es de más amplia utilización que el seccionador simple.
2.2.2. Tipos.
Los interruptores-seccionadores podemos encontrarlos, desde un punto de vista constructivo:
- De interior o de exterior. - Tripolares.
- De cuchillas giratorias o deslizantes. 2.2.3. Maniobra. Accionamiento.
Dado que los interruptores-seccionadores están dotados de poder de cierre y éste debe realizarse a una velocidad determinada de los contactos, independientemente de la actuación del operador, los interruptores-seccionadores deben ir dotados de un dispositivo de accionamiento para la apertura y cierre que asegure lo anterior. Este dispositivo suele ser un mecanismo acumulador de energía mediante resortes (muelles).
A su vez, este mecanismo acumulador de energía puede ser sin retención o con
retención (necesario en el caso de elementos asociados como fusibles, relés térmicos directos o
indirectos).
En el primer caso, el resorte acumula la energía aplicada al mismo (manual, eléctrica, neumática) hasta llegar a un punto en el que libera automáticamente dicha energía, produciendo el cierre o la apertura.
En el segundo caso, el resorte acumula la energía aplicada hasta llegar a su posición final de tensado, quedando retenido. El cierre o la apertura se produce al liberarse el resorte o mecanismo de retención del mismo, que puede ser accionado de forma manual (apertura local), eléctrica o neumática. De esta manera, los interruptores-seccionadores combinados con otros elementos de protección (fusibles, relés), permiten diferir la maniobra de apertura hasta que se actúe sobre el mecanismo de retención. Así, en los interruptores-seccionadores equipados con fusibles, la apertura automática se produce al fundirse uno y su percutor actúa mecánicamente sobre el mecanismo de retención, produciendo el corte omnipolar. Los relés directos actúan de igual forma, en cambio, los indirectos lo hacen por orden eléctrica (electroimán).
Por último, cabe señalar que en la maniobra manual puede actuarse por pértiga aislante directamente a la palanca del mecanismo de accionamiento, o por manivela distante del interruptor-seccionador con transmisión mecánica al mecanismo de accionamiento.
3.2. Elección del interruptor-seccionador. Determinación de las características
adecuadas
En este caso se seguirán las mismas directrices que en apartado 2.2. para seccionadores, tan sólo habrá que destacar el poder de cierre nominal en cortocircuito.
4. Interruptor automático
4.1. Características básicas
Según la definición del apartado 1.2., los interruptores automáticos se emplean fundamentalmente para la protección de circuitos eléctricos (líneas, máquinas, transformadores, etc), frente a sobreintensidades (sobrecargas y c.c.), ya que tienen la posibilidad de interrumpir (cortar) automáticamente corrientes en condiciones anormales, tales como sobrecargas y c.c., pues están dotados de poder de corte.
Evidentemente, también tienen la función de maniobra, conexión y/o desconexión de circuitos en carga, bien manualmente o a distancia mediante accionamiento eléctrico.
Los interruptores automáticos son de disparo independiente de la acción del operador, para ello van dotados de dispositivos de accionamiento con acumulación de energía (muelles) que garantizan lo anterior. Esto es necesario para garantizar poderes de cierre y de corte de las corrientes, tanto en condiciones normales de servicio (nominales) como en condiciones anormales (sobrecargas y c.c.). Dichos dispositivos de accionamiento van dotados de
mecanismos de retención sobre los que se actuará liberando la energía acumulada y permitiendo el cierre o la apertura (se verá más adelante en la sección Maniobra. Accionamiento).
Conviene resaltar que el número de maniobras en un interruptor automático es relativamente bajo (comparado con un contactor), sobre todo si se producen desconexiones con valores de la corriente próxima a su poder de corte.
Por último, señalaremos que algunos interruptores automáticos pueden funcionar con reenganche rápido (su proceso se verá con detalle en la sección Maniobra. Accionamiento). Se utilizan con el fin de evitar las interrupciones prolongadas del servicio eléctrico, ya que la mayor parte de los c.c. en las redes son de carácter transitorio (caídas de ramas de árboles en las líneas aéreas, viento, etc). Así, tras su apertura por el c.c., vuelven a cerrar en tiempos de 0,3 s; sólo si el c.c. persiste volverán a abrir.
Por todo lo expuesto, el interruptor automático es el aparato más completo.
Fig. 2.3. Interruptor automático de Media Tensión.
Los elementos o partes más importantes de un interruptor automático son las siguientes: Polos o fases.
Se denomina polo al conjunto formado por los contactos fijo y móvil dentro de la cámara de extinción, y los bornes de conexión, entrada y salida al circuito.
Los interruptores automáticos tripolares (los más usuales) tienen tres cámaras de extinción separadas. Los contactos fijos y móviles a su vez están formados generalmente por unos contactos principales y por los contactos de arco. Cuando se abren los contactos, primero se separan los contactos principales, manteniéndose la corriente por los contactos de arco, que al separarse finalmente se establece un arco eléctrico entre ellos.
Cámara de extinción o apagachispas. Medio de corte.
La cámara de extinción o apagachispas facilita la extinción del arco eléctrico, por lo tanto, según la MIE RAT 06, podrán emplearse sistemas basados en los principios de: gran
volumen de aceite, pequeño volumen de aceite, aire comprimido, hexafluoruro de azufre (SF6), vacío, soplado magnético, autosoplado, o cualquier otro principio que la experiencia aconseje.
Para poder entender y seleccionar el sistema adecuado, veremos de forma muy simple que ocurre en la extinción del arco eléctrico.
a) Situación de partida.
- Debido a las elevadas tensiones (kV), se supera con facilidad la rigidez dieléctrica del aire (∂U /∂l;kV/cm), entorpeciendo con ello la extinción del arco eléctrico.
- La mayoría de los circuitos eléctricos son inductivos, así pues, variaciones de la intensidad de corriente, servicio en carga (corrientes nominales, sobrecargas, c.c.), producen variaciones bruscas de la tensión entre contactos (u=cte ∂i(t)/∂t). De esta manera, la extinción de la corriente entre los contactos favorece el aumento rápido de la tensión entre los mismos, ayudando al reencendido del arco. Incluso puede perjudicar el aparato. Los fabricantes tienen especial cuidado con la máxima tensión de arco, dando los valores límites de ésta.
b) Debido a lo expuesto, ayudaremos a la extinción del arco eléctrico actuando según los principios básicos anteriores:
- Al tratarse de corriente alterna, ésta pasa por cero en cada semiperiodo. En cada paso por cero el arco se apaga, por lo tanto, el objetivo del interruptor será impedir el reencendido del arco, tratando en este caso que la tensión entre contactos no supere valores peligrosos, sino que quede próxima a la tensión de servicio (circuito abierto).
- Por otra parte, al apagarse el arco el medio de corte se enfría, por lo tanto se desioniza, aumentando rápidamente la rigidez dieléctrica del medio.
- El objetivo final se conseguirá cuando la rigidez dieléctrica del medio sea mayor que la tensión entre contactos, quedando ésta en valores asumibles por el interruptor, y al mismo tiempo la energía liberada durante el proceso (I2t) sea tolerada por el aparato, no perjudicando su conservación y continuidad.
d) Los fenómenos que ocurren durante la extinción del arco eléctrico son mucho más complejos a lo expuesto, no obstante lo comentado es suficiente para nuestros objetivos: entender básicamente los distintos sistemas empleados. Como resumen, actuaremos sobre las variables comentadas.
-(∂U/∂l). Procurando que la tensión no aumente bruscamente a valores peligrosos y que favorezcan el reencendido. Corte en paso por cero de la corriente.
e) Actuación.
- Velocidad de apertura o separación de los contactos lo más elevada posible, ayudando a impedir el reencendido. Se prohibe el empleo de interruptores en los cuales el movimiento de los contactos sea dependiente de la actuación del operador (MIE RAT 06).
- Alargamiento artificial del arco eléctrico, mediante el empleo de “soplado magnético” (campo magnético transversal al arco eléctrico). Su principio físico se basa en la fuerza ejercida sobre una corriente eléctrica por un campo magnético.
- Enfriando el espacio entre contactos, favoreciéndose con ello la desionización del medio y aumentando por tanto la rigidez dieléctrica. El sistema empleado es el de autosoplado.
- Llenando la cámara de extinción con líquidos (aceite) o gases (SF6) de elevada rigidez dieléctrica y buenas características térmicas (elevado calor específico, etc).
El empleo de cámaras de extinción con medio de corte en SF6 se ha generalizado en los últimos años, ya que debido a las buenas propiedades dieléctricas y térmicas del SF6 se permite disminuir la distancia entre contactos, dando lugar a aparatos más pequeños y de fácil conservación.
Las cámaras de extinción en vacío permiten aún aparatos más pequeños y con mayor número de maniobras. Son caros, debido a las dificultados constructivas.
Dispositivo de accionamiento.
Los interruptores automáticos, como ya se comentó, van dotados con dispositivos de accionamiento que incluyen mecanismos de acumulación de energía (muelles). Se verá con detalle en “Maniobra. Accionamiento”.
Disparadores de sobreintensidad.
Los disparadores actúan sobre el sistema de retención de los mecanismos de acumulación de energía (muelles), provocando la apertura automática del interruptor cuando se dan las condiciones adecuadas de sobreintensidad (sobrecargas y c.c.). Dotan al aparato de su carácter de protección.
Los disparadores son dispositivos unidos mecánicamente al aparato. Pueden ser de dos tipos: directos (primarios) o indirectos (secundarios).
a) Disparadores directos o primarios.
Están recorridos por la intensidad del circuito principal (circuito a proteger). Actúan cuando la corriente es superior a un valor determinado, intensidad de actuación (Ia).
Los interruptores automáticos suelen llevar disparadores de dos tipos:
- Disparadores térmicos. Se emplean para la protección contra sobrecargas del circuito a proteger. Suelen ser de tiempo inverso y su funcionamiento depende del calentamiento producido por la corriente que atraviesa el disparador, formado por una bilámina de dos elementos conductores de diferente coeficiente de dilatación.
Fig. 2.4. Disparador térmico.
- Disparadores electromagnéticos. Se emplean para la protección contra corrientes de
cortocircuito. Suelen ser de disparo instantáneo independiente de la intensidad; siempre que ésta
sea igual o superior a la intensidad de actuación del disparador, el tiempo de apertura suele ser de 0,1 s.
Fig. 2.5. Disparador electromagnético.
Las curvas de actuación de los disparadores térmicos y electromagnéticos pueden ser ajustables (Ireg, intensidad de regulación).
b) Disparadores indirectos o secundarios.
Como disparadores, forman parte del aparato (interruptor automático), como indirectos o secundarios, no son recorridos por la corriente del circuito principal, sino por la de un circuito auxiliar accionado por un relé o pulsador para mando a distancia. Suelen ser de dos tipos:
- De emisión de corriente; actúan cuando pasa intensidad por su bobina (electroimán), que normalmente no está recorrida por la corriente.
Fig. 2.6. Disparador indirecto.
- Disparador de mínima tensión; la bobina de disparo está colocada en un circuito auxiliar alimentado por una tensión que cuando se anula o baja de un determinado valor, provoca la actuación del disparador indirecto.
Los interruptores automáticos pueden tener o no disparadores indirectos, pero en caso de tenerlos sólo poseen de un tipo.
Por último, señalaremos que un disparador directo o indirecto forma parte del aparato, mientras que un relé es un elemento externo al aparato. Así por ejemplo, un relé térmico asociado a un interruptor-seccionador es externo a él, formando un aparato combinado. De igual forma, un relé diferencial es externo a un interruptor automático, formando también un aparato combinado.
Fig. 2.7. Esquema de un interruptor automático.
4.1.1. Funciones.
Los interruptores automáticos pueden realizar funciones de maniobra, incluso automatizada según se vio. También aseguran la continuidad del servicio eléctrico frente a c.c. transitorios (reenganche rápido). No obstante, su función principal es la de protección de líneas o redes, transformadores, motores de media tensión, generadores e incluso baterías únicas de condensadores, frente a sobreintensidades (sobrecargas y c.c.).
También pueden combinarse con transformadores toroidales y relés diferenciales, actuando sobre los disparadores secundarios o indirectos del interruptor automático, y haciendo la función de elemento de protección en el caso de defectos de aislamiento o fases a tierra.
4.1.2. Tipos.
Desde un punto de vista constructivo, los interruptores automáticos más utilizados en la actualidad son:
- Interruptores de hexafluoruro (SF6).
- Interruptores de pequeño volumen de aceite. - Interruptores de vacío.
4.1.3. Maniobra. Accionamiento.
En Media Tensión prácticamente se utilizan interruptores tripolares con un mecanismo de accionamiento común para los tres polos.
Brevemente describiremos los pasos más importantes del sistema de accionamiento de un interruptor automático.
En primer lugar señalaremos, que el sistema de accionamiento con mecanismos de acumulación de energía, dotado de dispositivos de retención, es necesario para que al actuar sobre ellos se libere dicha energía, permitiendo el movimiento de los contactos independiente de la actuación del operador. Esto, junto a los medios de corte señalados, permite dotar a los interruptores automáticos de alto poder de corte y cierre.
a) Acumulación de energía.
Como ya se ha señalado, el mecanismo de acumulación de energía es mecánico (muelles); la energía aportada a este mecanismo puede ser:
- Sólo manualmente mediante manivela.
- Eléctricamente, mediante motor eléctrico enlazado mecánicamente con los resortes. En este caso también existe el aporte manual para casos de fallo de la alimentación eléctrica.
b) Actuación de los disparadores.
Estando el interruptor en posición de abierto se acumula energía aportada manual o eléctricamente. Al llegar a un punto, se libera el mecanismo de cierre y parte de la energía acumulada se emplea en cerrar el interruptor y otra parte se mantiene acumulada para poder efectuar la apertura al liberar el dispositivo de retención. De esta forma se puede producir la apertura automática mediante disparadores directos térmicos o electromagnéticos e incluso por defectos a tierra o corrientes diferenciales mediante disparadores indirectos.
Según lo expuesto, ahora podemos entender el punto 2.5. de la MIE RAT 06, que nos dice: “con carácter general, salvo casos especiales, los interruptores automáticos que no deban funcionar con reenganche rápido, deberán satisfacer con su pleno poder de corte uno de los dos ciclos nominales siguientes”:
- 0 – 3 min – C0 – 3 min – C0 - 0 – 15 s – C0
0: Abrir C: Cerrar
Al final del ciclo, el interruptor será capaz de soportar permanentemente el paso de su intensidad nominal o asignada en servicio continuo.
Los interruptores automáticos que deban funcionar con reenganche rápido cumplirán el siguiente ciclo.
0 – 0,3 s – C0 – 3 min – C0
Para satisfacer este ciclo, los interruptores automáticos deben poseer mecanismos de accionamiento motorizados y sus contactos estar preparados para realizar dos aperturas en un intervalo aproximado de 0,4 s con su pleno poder de corte, para lo cual en posición cerrado tendrá los muelles de apertura y cierre tensados.
4.2. Elección del interruptor automático. Determinación de las características
adecuadas
Tan sólo habrá que señalar el poder de cierre y el poder de corte, con respecto a los puntos comentados en los apartados citados.
Por último, habrá que prestar especial atención a las curvas de los disparadores directos
térmicos y electromagnéticos, para la correcta elección del interruptor automático en su empleo
para proteger líneas o redes. 4.2.1. Curvas características. Curva característica de disparo I (t).
Da los valores del tiempo de disparo de los disparadores térmicos y electromagnéticos en función de la intensidad de corriente.
Fig. 2.8. Curva característica I (t)
Curva I2 t.
Son curvas que dan el valor de la integral térmica
∫
I2 (t) · dt, en función de la corriente simétrica de cortocircuito prevista. Expresa la energía disipada durante el cortocircuito en una resistencia de 1 ohmio.Para que un interruptor automático proteja una línea se deben cumplir las siguientes condiciones.
1º/ La curva I(t) del interruptor automático ha de quedar por debajo de la curva térmica del conductor a proteger.
Fig. 2.10
2º / El poder de corte del interruptor automático (P. de C.) ha de ser mayor o igual a la corriente de cortocircuito máxima que se pueda presentar (Ipccmax).
P.d.C ≥ Ipccmax
3º / La corriente de cortocircuito mínima (Ipccmin) que puede presentarse en el elemento a proteger debe ser mayor o igual a la intensidad de actuación del disparador electromagnético (IaMAG).
Ipccmin ≥ IaMAG
En otras palabras, el interruptor ha de detectar la mínima intensidad de cortocircuito.
4º / La energía que deja pasar el disparador durante el proceso de apertura en un cortocircuito no debe dañar al cable, es decir, no se debe superar la máxima temperatura de cortocircuito de éste. Dicho de otra forma, el tiempo que un conductor emplea en alcanzar su máxima Tª de c.c., durante un cortocircuito, debe ser superior al tiempo de desconexión del disparador electromagnético.
En el capítulo 3, en el apartado de protección a sobreintensidades se desarrollará con detalle lo expuesto.
5. Fusibles
5.1. Características básicas
Tal y como se comentó en el apartado de definiciones básicas, el fusible es un elemento que abre el circuito en el que está intercalado, cuando la corriente que pasa por él provoca, por
calentamiento, la fusión de uno de sus elementos previstos para este fin. El valor de la corriente que provoca la fusión depende del tiempo de actuación de ésta.
Según lo expuesto, los fusibles son dispositivos de protección frente a sobreintensidades (sobrecargas y c.c.); para efectuar maniobra, conexión y/o desconexión, deben asociarse con otros elementos, formando aparatos combinados o siendo de características especiales, como los fusibles de expulsión.
Fig. 2.11. Partes de un fusible.
Un fusible consta de dos partes básicas: “conjunto portador” y “cartucho fusible”. El
conjunto portador es la parte fija del fusible que sustenta el cartucho fusible y dispone de los
elementos de conexión en el circuito exterior. Consta de base, bornes de conexión y del portafusible. El cartucho fusible es el elemento recambiable del fusible; está formado por contactos, elemento fusible, material de extinción y aislante.
El elemento fusible es un hilo redondo o cinta de sección rectangular destinados a fundirse cuando las condiciones lo requieran, suelen ser de cobre, plata u otros materiales y su sección puede ser uniforme o no, disponiendo en este caso de estrechamientos en los que se inicia la fusión y se produce el arco eléctrico.
En la mayor parte de los fusibles, el elemento fusible conductor suele estar dispuesto en un cartucho de material aislante (porcelana, vidrio) que contiene un material extintor, normalmente sílice de grano fino y seco, que rellena por completo el cartucho y facilita el apagado del arco eléctrico y la absorción de energía (I2t).
Por último señalar que hay cartuchos con indicador de fusión y percutor, que en caso de fusión liberan la energía necesaria para hacer funcionar otros aparatos, como interruptores-seccionadores.
5.1.1. Funciones.
La función principal de los fusibles es la protección contra cortocircuitos y fuertes sobrecargas de líneas o redes, centros de transformación, motores de media tensión, baterías de condensadores, etc.
Debido a la curva característica de los fusibles I-t (la veremos más adelante), los fusibles tienen buen comportamiento frente a cortocircuitos (c.c.) y sobrecargas fuertes. Poseen elevado poder de corte.
De cualquier forma, para una correcta protección a sobrecargas, esta función debe estar encomendada a otros dispositivos, como relés directos. También debe prestarse especial
cuidado en la elección del calibre, teniendo en cuenta las corrientes e intensidades de arranque de los motores y los transitorios en la conexión de transformadores.
5.1.2. Tipos.
Los fusibles se designan por dos letras. La primera indica la zona de corte o rango de intensidades que el fusible es capaz de cortar. Según ésta, los fusibles pueden ser de tipo g y tipo a.
Fig. 2.12. Fusibles tipo “g”.
Los fusibles tipo “g” son de uso general, ya que pueden cortar corrientes o intensidades por encima de la intensidad de fusión hasta su poder de corte.
Fig. 2.13. Fusibles tipo “a”.
Los fusibles tipo “a”, denominados de acompañamiento, garantizan el funcionamiento adecuado en la protección de elementos para intensidades varias veces superior a la In. Son adecuados, por tanto, para la protección a cortocircuitos (c.c.), en cambio, para la protección a sobrecargas deben combinarse con otro elemento (relés directos).
La segunda letra indica el tipo de elemento a proteger, cables (G), motores (M), etc. Fusibles limitadores.
Existe un tipo de fusibles que funcionan limitando el valor de la corriente de cortocircuito a valores inferiores al de cresta previsto. Sus tiempos de fusión son inferiores a 5 ms.
Fig. 2.14. Fusibles “limitadores”.
Fusibles de expulsión.
Son fusibles de intemperie. Los vapores que se generan durante la fusión del elemento conductor o fusible, son expulsados a través de una cápsula eyectable; esta acción se combina con el basculamiento del portafusible alrededor de un pivote. También poseen gancho para ser accionado con pértiga aislante.
Estos fusibles operan con baja tensión de arco y no son limitadores de corriente. 5.1.3. Principio de funcionamiento de los fusibles.
Cuando pasa una corriente por los elementos conductores de los fusibles, se disipa energía por efecto Joule (R · I2 · t), que eleva la temperatura de dicho elemento conductor. Al mismo tiempo, cuando se eleva la Tª por encima de la del ambiente, se disipa calor al elemento que lo rodea (sílice) y de éste al exterior.
Según el valor de la intensidad de corriente, pueden producirse los siguientes fenómenos:
1º / Que se consiga una temperatura de equilibrio entre el fusible y el medio exterior, es decir, la energía disipada por efecto Joule (R · I2 · t) es igual a la evacuada al ambiente. Este sistema permanece estable mientras lo esté la corriente.
2º / Que durante el proceso de elevación de la temperatura se alcance el punto de fusión del elemento conductor o fusible. En este caso los elementos conductores empiezan a fundir en los
estrechamientos; cuando se produce el corte, se inicia un arco eléctrico que se alarga rápidamente, produciéndose una gran disipación de energía y un aumento rápido de la temperatura. La función del material extintor consiste en condensar los vapores metálicos, enfriando el arco, facilitando el apagado y, en el caso de corrientes alternas, dificultando el reencendido tras un paso por cero de dichas corrientes.
El tiempo de funcionamiento (tfu) del fusible es el tiempo que transcurre desde que
empieza a circular la corriente, que provoca la fusión, hasta que se extingue dicha corriente. Consta de dos partes:
Tiempo de prearco o tiempo de fusión (tf), es el tiempo que transcurre hasta que se inicia el arco. Tiempo de arco (ta), es el tiempo que transcurre desde el inicio del arco hasta su extinción.
Se verifica, por tanto: Tfu = tf + ta
En los fusibles limitadores, tfu < 0,01 s. Si el valor de la corriente que se establece en el circuito es superior al poder de corte del fusible, éste no es capaz de extinguir permanentemente el arco, se disipa gran cantidad de energía y el cartucho fusible puede destruirse.
5.2. Elección del fusible. Determinación de las características adecuadas
En este apartado se seguirán las mismas directrices que en los anteriores, para la correcta elección de los fusibles.
Se prestará asimismo especial atención al poder de corte, según la tensión asignada o nominal.
Por último, para la correcta elección de un fusible en su protección a sobreintensidades (sobrecaragas y c.c.), debe vigilarse la curva de características tiempo-corriente.
En relación con la curva de características I (t) de los fusibles, se tienen las siguientes definiciones:
Intensidad convencional de no fusión (Inf), es el valor de la corriente que el fusible puede soportar
sin fundir en un tiempo dado (tiempo convencional, tc).
Intensidad convencional de fusión (If), es el valor de la corriente que provoca la fusión en un
tiempo dado (tiempo convencional, tc).
Estos valores son importantes de cara a la protección a sobrecargas (se verá en el capítulo 3, apartado de protecciones). El valor del tiempo convencional, tc, viene fijado por la norma UNE 21-103, en función del calibre de los fusibles. Así, para fusibles tipo “g” se tiene:
Intensidad convencional Intensidad asignada o nominal (A) Tiempo convencional (h) Inf If In≤63 63<In≤160 160<In≤400 1 2 3 1,25 In 1,6 In
5.3. Ventajas e inconvenientes de los fusibles
5.3.1. Ventajas.- Economía del fusible en relación al servicio. - Alto poder de corte.
5.3.2. Inconvenientes.
- Diferencia entre la In y la If, lo que hace difícil una protección estricta a sobrecargas.
- Posibles errores durante el mantenimiento, ya que se puede reemplazar un fusible por otro de calibre superior, obteniéndose una falsa protección.
- Si se funde una fase, el sistema puede seguir funcionando, sobrecargando las otras dos y dando lugar a averías.
CAPITULO 3. CANALIZACIONES O CONDUCCIONES ELECTRICAS EN MEDIA
TENSION.
1. INTRODUCCION. 2. CONDUCTORES DESNUDOS. 3. CONDUCTORES AISLADOS. 3.1. CONDUCTOR ELECTRICO. 3.2. AISLAMIENTO. 3.3. ARMADURAS Y PANTALLAS. 3.4. CUBIERTAS. 3.5. NIVEL DE AISLAMIENTO.3.6. DESIGNACION NORMALIZADA DE UN CABLE AISLADO. 4. RESISTENCIA ELECTRICA DE LOS CONDUCTORES.
5. INDUCTANCIA DE LOS CONDUCTORES ELECTRICOS. 6. CAPACIDAD DE LOS CONDUCTORES ELECTRICOS. 7. EFECTO PELICULAR.
8. EFECTO CORONA.
9. PERDIDAS DE POTENCIA ELECTRICA POR CONDUCTANCIA TRANSVERSAL EN CONDUCTORES AISLADOS.
10. ELECCION DE LA SECCION DE UN CONDUCTOR.
10.1. ELECCION DE LA SECCION POR CRITERIO TERMICO O CALENTAMIENTO. INTENSIDAD MAXIMA ADMISIBLE.
10.2. ELECCION DE LA SECCION POR PERDIDA DE ENERGIA. CAIDA DE TENSION. 11. PROTECCION FRENTE A SOBREINTENSIDADES Y SOBRETENSIONES.
11.1. INTRODUCCION.
11.2. SOBRECARGAS.
11.3. CORTOCIRCUITOS.
Capítulo 3. Canalizaciones o conducciones eléctricas en
MT
1. Introducción
Según MIE RAT 01 e ITC-LAT 01. Terminología, se denomina canalización o conducción
eléctrica al conjunto constituido por uno o varios conductores eléctricos, por los elementos que
los fijan y por su protección mecánica, si la hubiese.
2. Conductores desnudos
La utilización de conductores aéreos desnudos es una de las formas clásicas de transporte de energía eléctrica. Los conductores son sustentados por apoyos empotrados en el terreno y sujetos a aisladores de características adecuadas. Este sistema obliga a mantener distancias de seguridad entre conductores, conductores y apoyos (masas) y al terreno (véase apdo. 5, ITC-LAT 07).
Esta disposición se utiliza en el transporte de Alta Tensión, constituyendo la red nacional de transporte de energía eléctrica, y en Media Tensión para electrificación rural o traída de energía eléctrica hasta los núcleos urbanos. Dado que los conductores de Cu y Al, por sí solos, no están preparados para las solicitaciones mecánicas necesarias y así poder cumplir las distancias mencionadas, se mejoran estas características mediante la fabricación de conductores de alma de acero (Al-Ac).
En este tipo de conductores, el aluminio forma una corona sobre el núcleo de acero. Se encuentran normalizados para su empleo en Alta y Media Tensión: LA-20, LA-28, LA-30, LA-40, LA-56, LA-80, LA-110, LA-140, LA-145, LA-180 (lo veremos con más detalle en el capítulo de Cálculo Mecánico). Ejemplo: Denominación: LA-56. Sección (mm2): 54,6. Diámetro (mm): 9,5. Carga de rotura (kg): 1666. Peso propio (kg/m): 0,189. Módulo de Elasticidad (kg/mm2): 8100.
Coeficiente de dilatación lineal (ºC-1 · m-1): 19,1 · 10-6. Iadm. 40ºC (A): 197.
Cuando las líneas aéreas deban transcurrir por zonas de arbolado, zonas con fuertes vientos o zonas de protección especial de la avifauna, se emplearán preferentemente líneas de alta tensión con conductores recubiertos (designación UNE CCX).
En caso de instalar líneas aéreas en zonas no urbanas de elevada polución, zonas de bosques o de gran arbolado, instalaciones provisionales de obras, zonas de circulación en recintos de instalaciones industriales, penetración en núcleos úrbanos, etc, podrán emplearse líneas de alta tensión con cables unipolares reunidos en haz (designación UNE RHVS o DHVS). La letra S hace referencia a un cable trenzado. Estos cables constan de un conductor, semiconductor interior, aislamiento, semiconductor exterior, pantalla y cubierta. El fiador suele ser de acero con una sección de 50 mm².
3. Conductores aislados
Los cables aislados para media tensión están formados básicamente por un conductor o
haz de conductores (tripolar), rodeados por un aislamiento.
Asimismo, para mejorar su resistencia mecánica o su resistencia a agentes atmosféricos, ataques químicos, etc, se completan con otros elementos que veremos a continuación.
Fig. 3.1. Cable M.T. Unipolar.
Fig. 3.2. Cable M.T. Tripolar.
3.1. Conductor eléctrico
Como conductores eléctricos en cables aislados, se emplea el cobre (Cu) y el aluminio (Al).
El cobre es un material ideal como conductor eléctrico. Su ductibilidad permite la
obtención de finos hilos, con los que poder hacer cables, favoreciendo la circulación periférica de la corriente sin aumento aparente de la resistencia. Posee buenas características mecánicas y su resistencia a la corrosión y al ataque de gran número de productos químicos le confieren una larga vida útil. También presenta unas buenas características eléctricas, como alta conductividad o pequeña resistividad eléctrica (ρ; Ω·mm2/m). Presenta como inconveniente su mayor precio frente al aluminio.
El aluminio se oxida con facilidad en presencia de oxígeno, formando una capa
superficial de óxido de aluminio que protege el material interior, aunque esto dificulta la conducción de electricidad a través de la superficie, aumentando su resistencia aparente.
La resistividad del aluminio es 1,6 veces la del cobre, pero su densidad es 0,3 la de éste, así de esta manera, a igualdad de resistencia eléctrica:
Al Al Al Cu Cu Cu
S
L
R
S
L
R
=
ρ
⋅
=
=
ρ
⋅
Cu CuS
S
Cu Al AlS
=
⋅
=
1
,
6
⋅
ρ
ρ
El peso de Aluminio es 1,6 · 0,3 = 0,5, o sea, la mitad del peso de cobre. Esto, junto al precio de ambos, da ventajas económicas al aluminio. No obstante, las propiedades mecánicas del aluminio son muy inferiores a las del cobre.
Resistividad, ρ (Ω·mm2/m); 20 ºC Densidad (kg/m3)
Cu 0,017241 8970
Al 0,028264 2703
3.2. Aislamiento
Los materiales que se utilizan como aislamiento en los cables de Media Tensión pueden ser plásticos y no plásticos. Dentro de los plásticos se distinguen: Termoplásticos y
Termoestables.
Los materiales Termoplásticos pierden su resistencia mecánica al calentarse,
reblandeciéndose y fluyendo. El más utilizado es el policloruro de vinilo (PVC). Es resistente a la tracción, a la abrasión, a los agentes químicos y atmosféricos y a ciertos aceites. Su elevado factor de pérdidas lo hace inadmisible para altas tensiones, empleándose en los cables de media tensión como cubierta y no como aislamiento.
Los materiales Termoestables son plásticos que no se deforman ni pierden propiedades
