selección y coordinación de fusibles para

SIMULACIÓN COMPUTACIONAL DE LA COORDINACIÓN DE
PROTECCIONES PARA TRANSFORMADORES DE CATEGORÍAS
ANSI I Y II
Fernando Toledo Toledo
José Dolores Juárez Cervantes
Vicente Ayala Ahumada
Profesores titulares, Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco
Av. San Pablo 180, Azcapotzalco, 02200, D.F., tel. 5318-9053, fax: 5318-9055
ttf@correo.azc.uam.mx jjc@correo.azc.uam.mx ava@correo.azc.uam.mx
Resumen. Algunos usuarios reportan haber tenido frecuentes interrupciones en el suministro de energía eléctrica,
originadas por la apertura de los fusibles de la protección del primario de transformadores clasificados por ANSI como
categorías I y II. Hasta hace poco, las causas no estaban plenamente identificadas, dado que en principio, no se trataba
fallas de cortocircuito o de una aparente mala selección, ya que las especificaciones estaban basadas en normas vigentes
y confirmadas por el propio fabricante de los fusibles. El análisis del problema llevó a la conclusión de que se estaban
omitiendo algunas consideraciones propias de la operación normal de los transformadores. Esto dio origen al
establecimiento de nuevos criterios normalizados para la selección de fusibles, los cuales se analizan y aplican en el
desarrollo del programa gráfico para computadora que se presenta en este artículo, mediante el cual se modela la
selección y coordinación de las protecciones del primario y secundario para transformadores de las categorías citadas.
Keywords. transformer protection, inrush points,through-fault protection, overcurrent coordination.
1. INTRODUCCIÓN
Debido a las características de la carga en baja tensión de algunos sistemas eléctricos industriales y de
distribución, resulta frecuente el uso de transformadores de categorías ANSI I y II. El esquema básico de
protecciones eléctricas empleado para estos transformadores suele ser del tipo "fusible-interruptor". El
primario, generalmente de mediana tensión, está protegido con fusibles del tipo limitador de corriente,
mientras que en el secundario es común el uso de un interruptor de baja tensión en caja moldeada o
termomagnético, de estado sólido o electromagnético.
En la determinación de las especificaciones y ajustes de dichos dispositivos de protección, resulta
indispensable la aplicación de criterios que garanticen una adecuada sensibilidad y selectividad de disparo
para la desconexión de fallas, lo cual se consigue mediante la definición de la zona de operación normal y de
los valores de referencia que establecen los límites de protección para el transformador.
La zona de operación normal se define a partir de los siguientes valores:
• Corriente a plena carga (Ipc)
• Puntos de magnetización:
• Pm1(Im1; 0.1 s)
Pm2(Im2; 0.01 s)
• Sobrecargas máximas momentáneas (Imáx sc)
Los límites de protección a su vez, quedan definidos por los siguientes puntos [1]:
• Límites NEC de ajuste máximo para cada devanado:
(INEC prim ; 1000 seg.)
(INEC sec ; 1000 seg.)
•
Curva de daño ANSI de corriente máxima circulante de falla:
Categoría I, puntos:
P1(I1; t1)
P4(I4; t4)
Categoría II, puntos:
P1(I1; t1)
P2(I2; t2)
P3(I3; t3)
P4(I4; t4)
1
2. CARACTERIZACIÓN GRÁFICA
Etapa de magnetización. Ésta se define a partir de los llamados "puntos de magnetización" del
transformador. Con el objeto de prevenir un mal funcionamiento de los fusibles, se deben seguir las siguientes
recomendaciones [2]:
a) Cuando un transformador se energiza, la corriente de magnetización circula a través de los fusibles. Debido
a que la selección de la corriente nominal del fusible se basa en características tales como temperatura
ambiente, sobrecargas máximas permitidas y límites de ajuste máximo NEC, entre otras, la curva rápida de
fusión (MMT del término en inglés Minimun Melting Time [4]) del fusible, debe quedar ubicada
gráficamente a la derecha de los puntos de magnetización, los cuales se definen en función de la corriente a
plena carga del transformador (Ipc).
b) Como se observa en la tabla 1, las magnitudes de las corrientes de magnetización para una condición de
vacío resultan ligeramente menores, si se comparan con las que se alcanzan cuando se presenta una
desconexión momentánea de la carga que está alimentando un transformador. Bajo esta última condición, los
fusibles tienen una temperatura de operación que resulta mayor a la que existe en el ambiente, por lo que
fundirán ligeramente más rápido. Este efecto da origen a la curva conocida como de "respuesta en caliente"
(hot-load pickup). Esta condición se puede dar cuando ocurren fallas en el alimentador y el restaurador abre y
vuelve a cerrar antes de que el fusible pueda enfriarse.
Tabla 1. Puntos de magnetización (Pm)
Pm1
Pm2
Bajo condición
de vacío
12 Ipc
0.1 s
25 Ipc 0.01 s
Bajo una desconexión
momentánea de la carga
10-14 Ipc
0.1 s
25-28 Ipc
0.01 s
Sobrecargas momentáneas. Quedan definidas por el concepto general de lo que se conoce como el punto
de sobrecarga momentánea, cuyas coordenadas son:
SCm (Iscm, tscm)
Donde:
(1)
Iscm = Idm + (Frb –1) Img
Iscm
Idm
Frb
Img
Corriente de sobrecarga momentánea
Corriente de demanda máxima del
Transformador.
Factor de multiplicación hp-kVA a rotor
bloqueado del motor más grande
conectado al secundario del
transformador.
Corriente a plena carga del motor de mayor capacidad.
c) La característica de "respuesta en frío" (cold-load pickup) resulta de especial interés en aquellos casos en
los que los fusibles se dimensionan sobre la base de factores de diversidad de carga; tal sería el caso de la
práctica utilizada para dimensionar transformadores, conductores, y dispositivos de protección (como los
fusibles) de tal manera que puedan manejar la magnitud de corriente de sobrecarga más alta esperada, en
lugar de la correspondiente a la carga total conectada.
La práctica mencionada puede causar problemas al reenergizar un circuito después de interrupciones de
servicio prolongadas; 4 horas por ejemplo. Sobre todo en instalaciones en las que existan unidades de aire
acondicionado o dispositivos eléctricos de calefacción, y todos ellos arranquen al mismo tiempo y no en
forma programada. El arranque simultáneo de dichas cargas puede generar transitorios de corriente del orden
que se indica en la tabla 2.
No es común que esta condición represente un problema para la característica de "respuesta en frío" en
sistemas de eléctricos industriales y comerciales en los que existan muchas unidades pequeñas de aire
2
acondicionado, ni tampoco en donde las cargas grandes se energicen una por una después de una interrupción
prolongada de la alimentación. Sin embargo, en aquellos casos en los que toda la carga alimentada por el
transformador se conecta al mismo tiempo, cuando se cierra el interruptor del primario o el interruptor
principal del secundario, se presentará un transitorio de corriente similar. Si de antemano se espera que esta
situación se presente, los fusibles deben seleccionarse de tal manera que su curva MMT esté situada a la
derecha de los puntos descritos anteriormente, además de que se debe considerar cualquier tolerancia
recomendada por el fabricante para efectos de crear una zona de seguridad.
Tabla 2. Transitorios presentes después de una interrupción prolongada de la alimentación.
Magnitud del transitorio
6 Ipc
3 Ipc
2 Ipc
Tiempo de duración
1.0 s
10.0 s
15 min
Conviene recordar que el perfil de sobrecarga descrito no se presenta en transformadores cuya carga
predominante no está constituida por equipos de aire acondicionado, pero tampoco en sistemas eléctricos de
distribución comerciales, en donde el acondicionamiento de aire se realiza a través de muchas unidades de
baja capacidad. Sin embargo, se recomienda prever esta posible operación, y en todo caso seleccionar los
fusibles con el criterio señalado anteriormente.
d) Para una adecuada coordinación de disparos entre los dispositivos de protección primario (fusibles) y
secundario (interruptor en baja tensión caja moldeada o termomagnético, estático o electromagnético), la
curva rápida (MMT) del fusible debe quedar a la derecha de la curva lenta del interruptor (dispositivo ubicado
en la parte inferior de la ruta de coordinación)[5].
Se debe hacer notar que la corriente de cálculo para seleccionar los fusibles debe considerar los valores
máximos que pueden alcanzarse por ejemplo cuando se transfiere más carga al transformador cuando falla el
transformador en paralelo. En este caso la corriente será el doble de la nominal más la debida al factor de
arranque [6].
3. SIMULACIÓN COMPUTACIONAL
El programa de computadora que permite modelar en forma gráfica las características de operación y los
límites de protección para el transformador por proteger, además de permitir la presentación dinámica de las
opciones del equipo de protección utilizado, está escrito en lenguaje Fortran95 [3]. Las fases del algoritmo se
muestran en la figura 1.
I. Adecuación de la hoja de
coordinación
II. Graficado de las características de
operación y equipo de protección empleado
III. Características de
operación y límites de
protección del transformador
IV. Selección y
graficado de respuesta de
protecciones empleadas
V. Cumplimiento de
restricciones y
recomendaciones
Figura 1. Fases del algoritmo computacional.
3
A continuación, se presentan los pasos de la aplicación del programa de computadora a un caso práctico
(complejo petroquímico), cuyo diagrama unifilar simplificado se muestra en la figura 2.
4.16 kV
T1
T2
0.48 kV
Motor M1
(el de mayor
capacidad)
M1
M
M
M
M
M
Figura 2. Sistema utilizado como ejemplo de aplicación.
1) Los datos del equipo por proteger en la ruta de coordinación para falla trifásica (motor de 100 hp y
transformador T1), se presentan a continuación:
Motor 1
100 hp inducción, tRB= 6 s, fs = 1.15, letra código E.
Transformador T1
1000 kVA, OA, 4.16/0.48 kV, z = 5.25% 55°C
Valores de cortocircuito (IEEE-141)
Icc 3 φ = 22 740 A bus 0.48 kV
Icc 3 φ = 11 100 A bus 4.16 kV
2) La ruta de coordinación se resuelve iniciando con el interruptor termomagnético que protege al motor M1.
El resumen de las características técnicas se indica a continuación, mientras que el resultado gráfico se
muestra la figura 3, en esta misma figura se presentan los puntos "inrush" descritos.
•
Interruptor en caja moldeada termomagnético, marca Square D, tipo KA, 125 A, con ajuste alto para el
disparo instantáneo (unidad magnética).
3) Para seleccionar y ajustar el interruptor electromagnético que protege el secundario del transformador T1,
es necesario determinar previamente sus condiciones de operación y límites de protección.
• Interruptor electromagnético marca IEM-W, tipo DS-416, unidad de disparo tipo LS con sensor de 1200
A.
•
Ajustes:
Corriente de disparo largo = 1.25 Isensor
Tiempo de disparo largo
= 4.0 s
Corriente de disparo corto = 4 .0 Isensor
Tiempo de disparo corto
= 0.18 s
4
Figura 3. Protección del motor M1 y características de operación y límites de protección del transformador
T1.
4) Para definir las especificaciones de los fusibles de la protección del primario del transformador T1, se
prueba con dos opciones, cuyas características se dan a continuación.
Opción 1
Fusible limitador de corriente marca Driescher tipo DRVAL, 160 A, 500 MVA de capacidad interruptiva, 2.4
kV a 15 kV.
Opción 2
Fusible limitador de corriente similar al de la opción 1, excepto que de 200 A.
Se decide por una de ellas a partir de los resultados que arroja el análisis de la figura 4. La curva del
fusible de 160 A claramente queda descartada debido a que no queda a la derecha de la curva del
electromagnético, lo que significa falta de coordinación.
Se concluye que el fusible de 200 A cumple con el conjunto de recomendaciones señaladas en este
artículo, es decir, en principio la curva de fusión rápida está a la derecha de los puntos de magnetización, y su
respuesta se da dentro del límite establecido por el NEC para la protección del primario del transformador.
Aunque se observa que la curva del fusible pasa entre los puntos 3 y 4 de la curva de daño del transformador,
esto se acepta debido a que se trata de la zona identificada como de daño poco probable. Por otro lado, la
curva del tiempo mínimo de fusión (MMT) del fusible queda a la derecha de la del interruptor
electromagnético, con lo que se garantiza la selectividad del disparo de las protecciones del transformador T1,
además también está a la derecha de la del motor M1. En el arreglo gráfico se observa que las curvas del
electromagnético y del fusible quedan a la derecha de la curva del termomagnético que protege al motor
citado.
Es importante señalar que también se confirma la capacidad interruptiva del fusible a partir de la Icc
trifásica máxima esperada en términos del siguiente criterio: Icc 3 φ ≤ ICI fusible
La potencia interruptiva del fusible es de 500 MVA lo que corresponde a una corriente interruptiva
mucho mayor que los 11000 A que se consideran de corto circuito en el lado de 4.16 kV. Por lo tanto se
cumple con esta condición holgadamente.
5
2Ipc, 900s
3Ipc, 10s
6Ipc, 1.0s
10,14Ipc, 0.1s
28Ipc, 0.01s
Figura 4. Gráfica de coordinación con fusibles de 160 y 200 A.
5) Finalmente, en la figura 5 se muestran las zonas de operación normal, límites de protección y arreglo
gráfico de la respuesta de las protecciones de los elementos de la red contenidos en la ruta de coordinación.
Como se puede apreciar, el arreglo muestra de manera clara que se tiene garantía respecto a la sensibilidad y
selectividad de conjunto de protecciones involucradas.
Figura 5. Solución de la ruta de coordinación.
6
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Los fusibles representan la manera más económica de proteger transformadores u otros elementos de
media y baja tensiones.
La corriente nominal de los fusibles debe seleccionarse considerando las condiciones reales de operación
que pueden ser con arranque simultáneo de motores, con transferencia automática de carga y con la
reconexión después de interrupciones breves.
Se debe recurrir a la norma presentada en este artículo, pero además aplicar criterios de ingeniería en casos
particulares.
Los puntos de referencia considerados en el ejemplo tienen aplicación cuando se utilizan otros
dispositivos de protección distintos a los aquí mencionados.
El programa de coordinación desarrollado se pone a disposición de quien tenga a bien solicitarlo en su
versión simplificada en forma gratuita, a cualquiera de las direcciones electrónicas de los autores.
5. REFERENCIAS.
[1] NFPA 70-1999, National Electric Code. NEC
[2] IEEE Std 242-2001. IEEE Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and
Commercial Power Systems. IEEE Press. pág. 189-191.
[3] F. Toledo T., J.D. Juárez C.. “Modelado Computacional para la Coordinación de Protecciones de
Sobrecorriente en Plantas Industriales”. RPV/AI 2000. IEEE sección México.
[4] IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms. IEEE Std 100-1992.
[5] IEEE Red Book. IEEE Recommended Practice for Electric Power Distribution. IEEE Press, 1999.
[6] IEEE Brown Book. IEEE Recommended Practice for Power System Analysis. IEEE Press, 1990.
6. Copyright Notice.
The printed material included in this paper is author’s responsability.
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