PROTECCIÓN DE INSTALACIONES FRENTE A SOBREINTENSIDADES Y SOBRETENSIONES CONCEPTOS BÁSICOS CIRCUITO INTENSIDAD DE EMPLEO Ie INTENSIDAD DE DISEÑO IB INTENSIDAD ADMISIBLE IZ SOBREINTENSIDAD CORRIENTE DE SOBRECARGA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO SOBRETENSIÓN NORMATIVA MIE BT 020 UNE 20 460, parte 4-43 y 4-473 PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS Tipos de sobrecarga • SOBRECARGAS PREVISIBLES (MOMENTÁNEAS) ? Diseño adecuado de la instalación ej: Arranque de un motor, fases de un proceso • SOBRECARGAS NO PREVISIBLES ? ACTUACIÓN PROTECCIONES ej: Averías (cojinetes motor, máq. accionada, exceso de consumo Efectos de las sobrecargas Si I > IZ ? Tc > Tadm ? propiedades dieléctricas y mecánicas se degradan, hasta producir defectos de aislamiento Valores de las temperaturas máximas admisibles en cables aislados, en servicio continuo y en cortocircuito, según UNE 20-460. Los valores entre paréntesis son los indicados en el Reglamento de Baja Tensión. Aislamiento Policloruro de vinilo Polietileno Reticulado Butil Etilenopropileno TAD (ºC) TMAX (ºC) (Servicio cont.) (Cortocircuito) 70 (75) 160 90 (90) 220 FUNDAMENTO DE LA PROTECCIÓN FRENTE A SOBRECARGAS Teq: Temperatura equilibrio Tad: Temperatura admisible tcal : tiempo calentamiento tac : tiempo actuación Protección efectiva ? tac < tcal In: Int. nominal disp. de protección. I2: Int. convencional de funcionamiento (disparo garantizado) DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN ADMITIDOS •Interruptor magnetotérmico. • Interruptor automático con disparador directo de sobreintensidad de tiempo inverso o con disparador indirecto asociado a un relé térmico. • Fusibles gG (o gL). • Contactor combinado con relé térmico. COORDINACIÓN ENTRE INTERRUPTORES Y DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN conductor ? ? ? protegido ? ? IB ? I n ? I Z ? ? I 2 ? 1.45 I Z SOBRECARGAS PELIGROSAS IZ ? I ? I2 ? INTERESA IB ? I n ? I2 IZ ? I2 Ejemplo 1: Protección de un cable trifásico, de tensión nominal Un=750 V, instalado al aire, y una intensidad de diseño IB= 16 A. Sección del cable, (tabla 1, MIE BT 017): IB =16 A, K=1 ? S = 2,5 mm2 ? I Z = 17 A • Protección mediante fusible: debe cumplir IB ? I n ? I2 ? 16 ? I n ? 17 fusible normalizado que cumple esta condición es de 16 A por tratarse de un fusible tipo gG: I2 =1,6 × In =26,6A Por tanto no se cumple la condición [3], ya que: 1,45 × IZ= 24,65 A < I2 ? El fusible de 16 A no protege eficazmente la línea frente a sobrecargas, según la norma UNE 20 460. Si se quiere efectuar la protección mediante fusible, habría que dimensionar la línea con una sección mayor, por ejemplo S= 4 mm2. de este modo: IZ= 23 A 1,45 × IZ= 33,45 A > I2 ? se cumple la condición [3]. • Protección mediante interruptor automático, S=2,5mm2 magnetotérmico de In=16 A, se cumple [2]. si es normalizado se cumple [3], ya que I2=1,45 × In. PROTECCIÓN DEL CONDUCTOR NEUTRO No requiere protección Dispositivo de protección adecuado a la I admisible que dispara el dispositivo de corte de los cond. de fase SITUACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A SOBRECARGAS • En el origen de los circuitos • En los puntos en que disminuye I Z (int. adm.) • Excepción: puede omitirse si la parte por debajo del punto de disminución de IZ está efectivamente protegida por un dispositivo situado antes IB ? I n ? I´z ? I z I2 ? 1.45 I´z ? 1.45 I z I´B ? I n ? I´´z ? I z I2 ? 1.45 I´´z ? 1.45 I z ? Línea protegida en toda su longitud Prot. contra cortocircuitos L.A. Prot. contra sobrecargas L.A. Disp. corte omnipolar OMISIÓN DE LA PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS POR RAZONES DE SEGURIDAD (UNE 20-460 / 4-473) En circuitos en los que el corte de la alimentación imprevista puede ser peligroso; ej: • ctos excitación máq. de c.c. • ctos de alimentación de electroimanes de elevación. • ctos 2arios transformadores de intensidad. • ctos de alimentación de dispos. de extinción de incendios. PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS Origen de los cortocircuitos • Fallos puntuales de aislamiento: sobretensión origen mecánico • Defectos en las cargas conectadas • Defectos de conexión de la instalación Efectos de los cortocircuitos • Efectos térmicos: Icc ? 1000 I n ? Rápida destrucción del aislamiento en las partes recorridas por Icc • Efectos electrodinámicos: Rotura de embarrados SITUACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS •En el origen de los circuitos y en los puntos en que disminuye I Z (int. adm.) • Excepción: puede omitirse si la parte por debajo del punto de disminución de I Z está efectivamente protegida por un dispositivo situado antes PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO Caso general IS alterna unidireccional Componentes • Componente simétrica i? (t) (alterna) • Componente asimétrica Ia (unidireccional o continua) Parámetros • Corriente de cortocircuito ik(t) • Corrientes parciales de cortocircuito • Corriente simétrica de cortocircuito i? (t) • Corriente Inicial simétrica de cortocircuito I”k • Corriente máxima asimétrica de cortocircuito Is (corriente de cresta) • Corriente permanente de cortocircuito Ik • Corriente simétrica de corte Isc • Potencia de cortocircuito para la corriente inicial simétrica S”k (potencia de cortocircuito) ´´ ´´ K n K S ? 3U ?I TIPOS DE CORTOCIRCUITOS a) CORTOCIRCUITO TRIPOLAR: mayores corrientes, fácil de analizar, poco frecuente. b) CORTOCIRCUITO BIPOLAR SIN CONTACTO A TIERRA. c) CORTOCIRCUITO BIPOLAR CON CONTACTO A TIERRA. d) CORTOCIRCUITO UNIPOLAR A TIERRA: más frecuente. e) DOBLE DEFECTO A TIERRA. C.C. TRIPOLARES ALIMENTADOS DESDE LA RED (no hay generadores o motores de potencia elevada próximos) Is Comp.. unidir. Comp. alterna I´´k ? I k ? Isc CÁLCULO DE LA CORRIENTE INICIAL SIMÉTRICA I´´k I k'' ? U nT ? I k ? I sc 3 Zk UnT tensión nominal transf. Zk = (Rk + j Xk) impedancia del circuito de defecto. CÁLCULO DE LA CORRIENTE MÁXIMA ASIMÉTRICA Is ?? '' I s = 2 ? Ik ? = f(Rk, Xk) C.C. EN BORNES DEL TRANSF. (B.T.) SUPONIENDO RED DE M.T. DE POTENCIA INFINITA - Aproximación usual ? I´´k, Is ligeramente mayores Datos: SnT: Potencia nominal del Transformador (kVA). UnT: Tensión nominal secundaria (V). ?Rcc(%): Componente resistiva de la c.d.t. ?Xcc(%): Componente inductiva de la c.d.t. Cálculo de la impedancia de cortocircuito del transformador 2 ? ? Rcc (%) U nT (m ? ) ? Rcc = 100 S nT ? ? Z cc ? 2 (%) ? Xcc U nT ( m? ) ? X cc = ?? 100 S nT Rcc ? X cc 2 2 ( m? ) Cálculo de la impedancia de defecto: Zk = Zcc Rk = Rcc Xk = Xcc Cálculo de I´´k e Is U nT '' I k'' ? ? I k ? I sc I s = 2 ? Ik 3 Zk en este caso I´´k se puede calcular: 100 ?I nT I k'' ? InT corriente nominal del transf. ? cc (%) ?cc(%) c.d.t. cortocircuito. Ejemplo 4: Cálculo de las corrientes de cortocircuito en bornes de un transformador de distribución de potencia Sn = 1.600 kVA, relación 20/0,38 kV, y caídas de tensión porcentuales en cortocircuito ?Rcc(%)=1, ?Xcc(%)=6. 1 3802 = 0,905 m? Rcc = 100 1.600 6 3802 = 5,415 m? X cc = 100 1.600 2 2 Z k = 0, 905 + 5, 415 = 5,49 m? 380 I k" = = 39,9 kA 3 ? 5,49 R k / X k = 1/6 Is = ? ? = 1,6 5 2 ? 1,6 5 ? 39 ,9 = 90 , 28 kA Ejemplo 5: Cálculo de la corriente de cortocircuito en bornes del transformador del ejemplo 4, considerando la impedancia de la red de distribución de 20 kV; se supone S”k = 350 MVA. Rcc = 0,905 m? X cc = 5,415 m? Z cc = 5,490 m? 2 380 = 0,454 m? Z L = 1,1? 1000 350 X L = 0,995 ? 0,454 = 0 ,451 m? R L = 0,1? 0,451 = 0,045 m? Referidos 2 2 Z k = (0 ,045 + 0,905 ) + (0 ,451 + 5, 415 ) = 6 ,016 m? 380 I k'' = I k = = 36 ,47 kA 3 ? 6 ,016 R k / X K = (0 ,045 + 0,905)/(0 ,451 + 5 ,490) = 0,16 ? ? = 1,6 I s = 2 ? 1,6 ? 36 ,47 ? 82,52 kA 2º C.C. EN BORNES DEL TRANSF. CONSIDERANDO LA IMPEDANCIA DE LA RED DE M.T. 3 Datos: Transformador: SnT, UnT, ?Rcc, ?Xcc. ? Rcc, Xcc Red: S” k: Potencia de cortocircuito de la red MVA Cálculo de la impedancia, reactancia y resistencia de la línea de distribución, referidas al secundario del transformador: 2 U nT m? Z L = 1,1 1.000 S k'' X L = 0,995 Z L m? R L = 0,1 X L m? Cálculo de la impedancia de defecto: R k = R L + Rcc X k = X L + X cc Z k = ( R L + Rcc ) + ( X L + X cc ) (m? ) 2 2 Cálculo de I”k e Is I k'' ? U nT 3 Zk ? I k ? I sc '' I s = 2 ? Ik C.C. EN UN PUNTO ALEJADO DEL TRANSFORMADOR Se sigue le mismo proceso que en los casos anteriores, pero ahora: R k = Rcc + R1 + R 2 + R3 + ... X k = X cc + X 1 + X 2 + X 3 + ... 2 2 Z k = Rk + X k Cálculo de I”k e Is U nT '' ? = f(Rk, Xk) I k'' ? ? I k ? I sc I s = 2 ? Ik 3 Zk • Normalmente se desprecia la impedancia de los embarrados. • Se considera S”k ? ? (ZL MT despreciable frente a las impedancias de los cables). • Ri, Xi se estiman a partir de datos del fabricante de los cables, ábacos y tablas en la bibliografía. • Valores orientativos: Ri = 1.000 ? l i ni s i ( m? ) m ? (? )? mm 2 ?1 / 58 Cu ? ?1 / 35 Al ?1 / 7 Fe ? no tiene en cuenta el efecto pelicular x´i m? ( ) xi = n m ? conductor aéreo 330 m? ? x´í ( ) ? ? barras distribuci ón 130 km ? cables multipolar es 80 ? n: Nº de conductores en paralelo por fase R Resistencia efectiva XF Reactancia de líneas aéreas (conductores desnudos) XK Reactancia de cables (Cuando se emplean conductores de aluminio, los valores de la resistencia efectiva, tomados del diagrama deben multiplicarse por 1,7) Ejemplo 7: Cálculo de las corrientes de cortocircuito en los puntos A, B, C y D de la siguiente instalación. ? Ri ? Xi ? Zki I”k R/x ? Ri Xi A (m? ) (m? ) (m? ) (m? ) (m? ) (kA) B 2,29 6,87 2,29 6,87 7,24 30,38 0.33 1.4 60 C 1,5/2 0,7/2 3,04 7,22 7,83 28,08 0.42 1.3 51.6 D 57 11 60,04 18,22 62,74 3,51 3.3 1 3.51 24 1,4 84,04 19,62 86,30 2,55 4.3 1 2.55 I S (KA) CALENTAMIENTO DE UN CONDUCTOR EN C.C. Ecuación del calentamiento adiabático (t < 5 seg.) ?: densidad V: volumen i 2 R dt ? Ce? V dT Ce ? l S 2 2 i dt ? dT ? K S ?0 ?Trég ? l S T : 1600C PVC C.C. que produce el calentamiento máximo admisible t 2 Tad ad 2200C XLPE t 2 2 2 i dt ? K S ? 0 Valores de K PVC XLPE Cu 115 135 Al 74 87 ? tipo de conductor ( ? , ? ) K? ? tipo de aislamient o (Trég , Tad ) • Cortocircuitos largos (t > 0.1 s) Calentamiento producido por componente continua << icc ? 2 I k sen ? t ? 2 2 2 2 i dt ? I t ? K S k ? t 0 S 2 t ? ( K ? ) ? t ad I •Cortocircuitos cortos (t < 0.1 s) ? icc no senoidal t 2 ? ?? ? K 2 S 2 i dt ? i dt ? ?0 ? ?0 ?adm t 2 I2t que deja pasar la protección ? DATO DADO FABRICANTE SELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A C.C. Sistema de protección frente a c.c. Regla general (UNE 20-460) En toda instalación eléctrica deben preverse dispositivos de protección que garanticen que toda corriente de c.c. será interrumpida antes de que sus defectos térmicos y mecánicos puedan resultar peligrosos para los conductores y conexiones. Condiciones que deben cumplir los dispositivos de protección contra cortocircuitos PODER DE CORTE DIS. ? I´´K (IK) en el punto donde está instalado TIEMPO DE CORTE DISP. tc ? tadm (Tc tadm Tadm) para cualquier c.c. originado en el cto que protege el disp. • Cortocircuitos largos (t > 0.1 s) S 2 tad = ( K ? ) I tad: Tiempo admisible en segundos. I: Valor eficaz de la corriente de c.c. prevista en A. S: Sección del cable en mm2. K: Constante que depende del material conductor y del tipo de aislante. • Cortocircuitos cortos (t < 0.1 s) (I 2 t) Disp ? (I 2 t) adm ? ( K ?S )2 (I2t)Dsip: Característica dada por el fabricante. I2t admisible para distintos tipos de cable. (I2t)adm Secc. (mm2) Al, PVC Al, Poliet. Cu, PVC Cu, Poliet. 16 1,4 × 106 1,9 × 106 3,4 × 106 4,7 × 106 35 6,7 × 106 9,3 × 106 1,6 × 107 2,2 × 107 70 2,7 × 107 3,7 × 107 6,5 × 107 8,9 × 107 95 4,9 × 107 6,8 × 107 1,2 × 108 1,6 × 108 120 7,9 × 107 1,1 × 108 1,9 × 108 2,6 × 108 240 3,2 × 108 4,4 × 108 7,6 × 108 1,0 × 109 PROTECCIÓN MEDIANTE INTERRUPTOR AUTOMÁTICO Condiciones que debe cumplir el I.A. para que la línea este efectivamente protegida a) Poder de Corte del I.A. > Icc,máx(prevista) ? Ik máx b) Icc,mín > Ia Ia es la intensidad de regulación del disparador electromagnético, puede ser ajustable o no c) Icc,máx < Ib la energía (I2t) que deja pasar el I.A. para el c.c. máximo ha de ser menor que la Ik max admisible por el cable). Ejemplo 8: Análisis de la protección contra cortocircuitos de la línea L2 (conductor de Cu, aislada con PVC) mediante el I.A.1, instalado en el origen de la línea L1 I2=60A a) Trafo L1 L2 R i(m? ) 2,29 3 89 Xi(m? ) 6,87 1,4 3,5 ? R i(m? ) 2,97 5,97 94,97 ? Xi(m? ) 6,87 8,27 11,77 Zki(m? ) 7,24 10,19 95,7 Ik(kA) 30,28(A) 21,56(B) 2,29(C) Poder de corte de I.A.1 = 35 kA > Ik(A) ? cumple criterio a) b) El disparador electromagnético es ajustable entre 5In = 1.250 A y 10In = 2.500 A. Ajustando Ia ? 2,1 kA Icc,mín = Ik(C) = 2,29 > Ia = 2,1 kA ? cumple criterio b) c) La línea L2 está constituida por cable de cobre de 10 mm2 aislado en PVC: (I2t)adm =(115 × 10) 2 = 1,3 x10 6 A2s. Entrando con este valor en la característica de I2t: Icc,máx = Ik(B) = 21,56 > Ib ? 13 kA > ? NO cumple criterio c) 1.3·106 1250 Ib ? 13 k A 2500A PROTECCIÓN MEDIANTE FUSIBLE F Línea efectivamente protegida: a) Poder de Corte del Fusible > Icc, máx b) Icc, mín > Ia o ta d < t F (la caract. I/t del FUSIBLE está por debajo de la caract. (I/t)adm del cable). Ejemplo 9: Protección frente a cortocircuitos mediante fusibles cuyas características I-t se dan en la figura 6.25 (Poder de corte = 100 kA) de la línea L2 del ejemplo 8. a) 100 > 30.28 KA b) Icc, mín = 2.229 KA 2 t ad 0.25s 10 ? ? ? ?115 ? 2290 ? ? t ad ? 0.25 seg Fusibles válidos In: 200, 160, 125, 100, 80 y 63 A I2= 60 A COMBINACIÓN FUSIBLE-INTERRUPTOR AUTOMÁTICO • Permite utilizar I.A. de bajo poder de corte (baratos) en puntos con elevadas intensidades de c.c. • El I.A. debe actuar frente a sobrecargas. • El fusible debe proteger contra cortocircuitos. • Si Ic es la corriente a la que se cortan las carac. se debe cumplir: Ic < Poder corte I.A. • Interesa que Ic sea próximo al poder de corte, para que el I.A. despeje el mayor número posible de c.c. (Ia < Icc < Ic). Ejemplo 10: Selección del fusible adecuado para instalar en la línea L1 del ejemplo 8, suponiendo ahora que el poder de corte del interruptor I.A.1 es Ic = 25 kA. Icc = Ic = 25 kA ? Ic/In = 25.000/250 = 100 ? tc = 10 ms Fusibles válidos: (I = 25.000 A, t < 0,01 s) ? Calibres: 250, 315, 400, 500 A se seleccionaría el de mayor calibre (I n = 500 A) ya que es el que fundirá menos veces. COMBINACIÓN CONTACTOR-RELÉ TÉRMICO-FUSIBLE • Protección líneas que alimentan consumos con maniobras frecuentes. • Contactor + relé térmico: Protección frente a sobrecargas. • Fusible: Protección frente a c.c. y sobrecorrientes mayores que el poder de corte del contactor. • Las características deben cortarse para una corriente algo menor que el poder de corte del contactor. • El punto de arranque del motor (Iarr, tarr), está por debajo de la característica del fusible. TRANSFORMADOR MONOFÁSICO IDEAL U1 E1 N1 ? ? ? rt U 2 E2 N 2 3 ?U1 I1 ? 3 ?U 2 I 2 I1 U 2 1 ? ? I 2 U1 rt ? CORTOCIRCUITO EN BORNES DEL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO REAL Impedancia de cortocircuito vista desde el primario ? ? U R1cc: Resistencia de c.c. 1º Z1cc ? ? 1 ? R1cc ? jX 1cc I1cc X1cc: Reactancia de c.c. 1º Corriente de cortocircuito en el secundario ? ? ? ? ? ? U1 rtU 2 U2 U2 I 2cc ? rt I1cc ? rt ? ? rt ? ? ? ? ? Z1cc Z1cc ? Z1cc ? Z 2cc ?? 2 ?? ? rt ? Z2cc : Impedancia de c.c. 2º Resistencia y Reactancia de cortocircuito referidas al 2º: R2cc y X2cc ? ? Z1cc Z 2cc ? 2 rt R2 cc ? R1cc rt 2 X 2cc ? X 1cc rt 2 CAIDA DE TENSIÓN EN CORTOCIRCUITO Caída de tensión en cortocircuito referida al primario (U1cc) valor eficaz de la tensión que hay que aplicar al devanado primario para que circule por él la intensidad nominal, estando el secundario en cortocircuito. Caída de tensión en cortocircuito referida al secundario (U2cc) (análoga al 1º) ? ? ? ? ? ? I 2 cc 2 U1cc ? Z1cc I1n ? ( rt Z 2 cc ) ? rtU 2 cc rt Caída de tensión porcentual en cortocircuito ? cc(%) U U ? cc (%) ? 100 ? 1cc ? 100 ? 2 cc U1n U 2n ? cc (%) ? 100 ? I1n Z1cc U1n Sn Z1cc U 1n S S ? 100 ? ? 100 ?Z1cc n2 ? 100 ?Z 2 cc 2n U 1n U 1n U 2n Componentes de la caída de tensión en cortocircuito ? ? ? ? ? ? U cc ? Rcc I n ? jX cc I n ? U Rcc ? jU Xcc Caída de tensión resistiva en c.c.: ? ? U Rcc ? Rcc I n ? ? Caída de tensión inductiva en c.c.: U Xcc ? jX cc I n Caída de tensión resistiva en tanto por cien U ? Rcc (%) ? 100 ? Rcc Un Caída de tensión inductiva en tanto por cien U ? Xcc (%) ? 100 ? Xcc Un ? Rcc (%) ? 100 ? ? Xcc (%) ? 100 ? I n Rcc S ? 100 ?Rcc n2 Un Un I n X cc S ? 100 ? X cc n2 Un Un 2 2 ? cc2 (%) ? ? Rcc ? ? Xcc Impedancias de cortocircuito ? cc (%) U n2 Zcc ? (? ) 100 S n ? Rcc (%) U n2 Rcc ? (? ) 100 S n ? Xcc (%) U n2 X cc ? (? ) 100 S n Zcc, Rcc y Xcc están referidos al primario o al secundario dependiendo de que la tensión Un utilizada sea la primaria o la secundaria. TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Impedancias transformadores trifásicos (Zcc, Rcc, Xcc) valores por fase de un transformador estrella-estrella equivalente, obtenidos mediante el ensayo de cortocircuito. Corrientes y tensiones (Un, In, Ucc, Icc) son valores de línea. Potencia aparente del transformador S n ?? ? Estudio del cortocircuito en bornes El estudio del del transformador monofásico fasecortocircuito neutro equivalente, alimentado con trifásico una tensión de valor eficaz U1n 3 Impedancias de cortocircuito ? cc (%) U n2 Zcc ? (? ) 100 S n ? Rcc (%) U n2 Rcc ? (? ) 100 S n ? Xcc (%) U n2 X cc ? (? ) 100 S n Corrientes de cortocircuito I1cc ? U1n 3 ?Z1cc I I 2 cc ? 100 ? 2 n ? cc (%) I 2 cc ? U 2n ? 3 ?Z 2 cc I 2cc ? U 2n 3 ?Z 2 cc I I1cc ? 100 ? 1n ? cc (%) U 2n Sn 3 ?U 2 n I 2n I ? 100 ? ? 100 ? ? 100 ? 2 n 2 ? (%) U 2 n ? cc (%) 3 ?? cc (%)U 2n 3 ?? cc (%)U 2 n 3 ? cc 100 Sn ESTIMACIÓN DE LA IMPEDANCIA DE LA RED Potencia de cortocircuito S K ? 3 ?U nL I ccL E ? 1,1?U nL I ccL ? 1,1 ?U nL ? 3 ?Z L Sk 3U nL Impedancia equivalente de la red ? 2 U nL Z L ? 1,1 ? SK X L ? 0,995 ?Z L RL ? 0,1?X L ?