TECNOLOGÍA ELÉCTRICA TEMA 6 PROTECCIÓN DE INSTALACIONES FRENTE A SOBREINTENSIDADES (ITC-BT 22) SOBRETENSIONES (ITC-BT 23) UNE 20-460 partes 4-43 y 4-473 1 CONCEPTOS BÁSICOS ? CIRCUITO ? INTENSIDAD DE EMPLEO Ie ?INTENSIDAD DE DISEÑO IB ?INTENSIDAD ADMISIBLE IZ ?SOBREINTENSIDAD ? CORRIENTE DE SOBRECARGA ? CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO ? SOBRETENSIÓN 2 1 PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS TIPOS DE SOBRECARGA • SOBRECARGAS PREVISIBLES (MOMENTÁNEAS) ? Diseño adecuado de la instalación • SOBRECARGAS NO PREVISIBLES ? ACTUACIÓN PROTECCIONES ej: Averías (cojinetes motor, máq. accionada, exceso de consumo ej: Arranque de un motor, fases de un proceso EFECTOS DE LAS SOBRECARGAS ? Si I > IZ ? T c > 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.. Aislamiento TAD(ºC) (Servicio cont.) TMAX (ºC) (Cortocircuito) Policloruro de vinilo 70 160 Polietileno Reticulado Butil Etilenopropileno 90 220 3 FUNDAMENTO DE LA PROTECCIÓN FRENTE A SOBRECARGAS Protección efectiva ? tac < tcal T eq: Temperatura equilibrio T ad: Temperatura admisible t cal: tiempo calentamiento In: Int. nominal disparo de protección. I2: Int. convencional de funcionamiento (disparo garantizado) t ac : tiempo actuación 4 2 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. 5 COORDINACIÓN ENTRE INTERRUPTORES Y DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN Condiciones de protección: Donde: IZ = Iadmisible.por el conductor IB = Ide diseño I2 = Isegura de actuación del elemento protector conductor ? ? ? protegido ? ? 1ª ) I B ? I n ? I Z ? ? 2ª ) I 2 ? 1.45 I Z SOBRECARGAS PELIGROSAS 3º) IZ ? I ? I2 ? INTERESA IB ? In ? I2 IZ ? I2 6 3 Ejemplo 1: Protección de un cable trifásico de cobre, de tensión nominal de aislamiento (PVC), Un=750 V, instalado al aire bajo tubo, y una intensidad de diseño IB= 16 A. Sección del cable, (tabla 52-C20/col 3): IB = 16A, ? S=2,5 mm2 ? IZ = 17.5 A • Protección mediante fusible: debe cumplir ? IB ? In ? IZ ? 16 ? In ? 17,5 El fusible normalizado que cumple esta condición es de 16 A., tipo gG: I2 =1,6 × In =26,6A ? Por tanto no se cumple la condición [3], ya que: 1,45 × IZ = 25.4 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 × I n . 7 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 IZ (int. adm.) ? Excepción: puede omitirse si la parte por debajo del punto de disminución de IZ está efectivamente protegida por un dispositivo situado antes I´´B ? In ? I´´z ? Iz I2 ? 1.45 I´´z ? 1.45 Iz 8 4 SITUACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A SOBRECARGAS IB ? In ? I´z ? Iz I2 ? 1.45 I´z ? 1.45 Iz Prot. contra cortocircuitos L.A. Prot. contra sobrecargas L.A. ? Línea protegida en toda su longitud Prot. contra sobrecargas L.A. 9 Disp. corte omnipolar OMISIÓN DE LA PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS POR RAZONES DE SEGURIDAD (UNE 20460 / 4-473) En circuitos en los que el corte de la alimentación imprevista puede ser peligroso; ejemplos: ? Circuitos excitación máquina de corriente continua. ? Circuitos de alimentación de electroimanes de elevación. ? Circuitos secundarios transformadores de intensidad. ? Circuitos de alimentación de dispositivos de extinción de incendios. 10 5 PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS ORIGEN ? Fallos puntuales de aislamiento: sobretensión origen mecánico. ? Defectos en las cargas conectadas. ? Defectos de conexión de la instalación EFECTOS ? Efectos térmicos: Icc ? 1000 In ? Rápida destrucción del aislamiento en las partes recorridas por Icc. ?Efectos electrodinámicos: Rotura de embarrados 11 SITUACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS ? En el origen de los circuitos y en los puntos en que disminuye IZ (intensidad de admisión). ? Excepción: puede omitirse si la parte por debajo del punto de disminución de IZ está efectivamente protegida por un dispositivo situado antes 12 6 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO CASO GENERAL: UNIDIRECCIONAL ALTERNA Is ik (t) i~(t) ia (t) COMPONENTES: ? Componente simétrica i? (t) (alterna) ? Componente asimétrica Ia (unidireccional o continua) 13 PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO 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) S ´´K ? 3 U n ?I K´´ 14 7 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. 15 i C.C. TRIPOLARES ALIMENTADOS DESDE LA RED is CÁLCULO DE LA CORRIENTE I ´´k ? I k ? I sc INICIAL SIMÉTRICA I´´ k t i Comp.. unidir. Comp. alterna t CÁLCULO DE LA CORRIENTE MÁXIMA ASIMÉTRICA Is '' Is = 2 ? Ik ? = f(Rk, X k) I k'' ? U nT ? I k ? I sc 3 Zk UnT tensión nominal transf. Z k = (Rk + j X k) impedancia del circuito de defecto. 16 8 C.C. EN BORNES DEL TRANSF. (B.T.) SUPONIENDO RED DE M.T. DE POTENCIA INFINITA Datos: S nT: Potencia nominal del Transformador (kVA). UnT : Tensión nominal secundaria (V). INT corriente nominal del transf. ?cc(%) c.d.t. cortocircuito. ?Rcc (%): Componente resistiva de la c.d.t. - Aproximación usual ? ligeramente mayores ?Xcc(%): Componente inductiva de la c.d.t. I´´ k, Is Cálculo de la impedancia de defecto: Z k = Z CC Cálculo de la impedancia de cortocircuito del transformador 2 ? ? Rcc(%) U nT (m? ) ? 100 S nT ? ? Z cc ? ? Xcc (%)U 2nT ? = ( m ? ) X cc ?? 100 S nT Cálculo de I´´k e Is Rcc = Rcc ? X cc 2 2 Rk = RCC (m? ) I k'' ? U nT ? I k ? I sc 3 Zk Xk = XCC '' Is = 2 ? Ik I k'' ? 100 · I nT ?cc (%) 17 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? 100 1.600 6 3802 = = 5,415 m? X cc 100 1.600 Rcc = 2 2 Z k = 0 , 905 + 5, 415 = 5,49 m? 380 I k" = = 39,9 kA 3 ? 5,49 Rk / X k = 1/6 ? 0,1667 ? ? = 1,6 I s = 2 ? 1,6 ? 39 ,9 = 90 ,28 kA 18 9 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? X L = 0,995 ? 0 ,454 = 0,451 m? RL = 0 ,1 ? 0,451 = 0 ,045 m? 2 380 = 0,454 m? Z L = 1,1? 1000 350 2 2 Z k = (0,045 + 0,905 ) +(0,451 + 5,490 ) ? Z k ? 6 ,016 m ? Ik'' = I k = 380 = 36 ,47 kA 3 ? 6 ,016 Rk / X K = (0,045 + 0,905)/(0 ,451 + 5 ,490) = 0 ,16 ? ? = 1,6 I s = 2 ? 1,6 ? 36 ,47 ? 82 ,52 kA 19 C.C. EN BORNES DEL TRANSF. CONSIDERANDO LA IMPEDANCIA DE LA RED DE M.T. Cálculo de la impedancia, reactancia y resistencia de la línea de distribución, referidas al secundario del transformador: 2 Z L = 1, 1 U nT m? 1.000 Sk'' X L = 0,995 Z L m? R L = 0,1 X L m? Cálculo de la impedancia de defecto: R k = R L + R cc X k = X L + X cc Datos: Z k = ( R L + R cc ) + ( X L + X cc ) (m? ) 2 Cálculo de I” k e Is 2 I k'' ? Transformador: SnT, UnT, ?Rcc, ?Xcc . ? Rcc , Xcc Red: S”k: Potencia de cortocircuito de la red MVA U nT ? I k ? I sc 3 Zk '' I s = 2 ? Ik 20 10 C.C. EN UN PUNTO ALEJADO DEL TRANSFORMADOR Se sigue le mismo proceso que en los casos anteriores ? pero ahora: Rk = Rcc + R 1 + R2 + R 3 + ... X k = X cc + X 1 + X 2 + X 3 + ... 2 2 Z k = Rk + X k Cálculo de I” k e Is '' I s = 2 ? Ik I k' ' ? U nT ? I k ? I sc 3 Zk ? = f(Rk , Xk ) ? Normalmente se desprecia la impedancia de los embarrados. ? Se considera S”k ? ? (Z L 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. ?1 / 58 Cu m 1.000 ? l i ? ? Valores orientativos: Ri = (m? ) ? ( ? m m2 ) ? ?1 / 35 Al x´i m? ( ) xi = n m ni si no tiene en cuenta el efecto pelicular n: Nº de conductores en paralelo por fase x´í ( ?1 / 7 Fe ? 330 ?conductor aéreo m? ? ) ? ? barras distribuci ón 130 km ?cables multipolares 80 ? 21 mO 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) m 22 11 Ejemplo 7: Cálculo de las corrientes de cortocircuito en los puntos A, B, C y D de la siguiente instalación. Rk = Rcc + R 1 + R2 + R 3 + ... X k = X cc + X 1 + X 2 + X 3 + ... 2 2 Z k = Rk + X k Cálculo de I” k I k'' ? U nT ? I k ? I sc 3 Zk Ri(m? ) Xi(m? ) ? Ri(m? ) ? Xi(m? ) ? ZKi(m? ) I’’K(kA) R/X ? Is(KA) A 2.29 6.87 2.29 6.87 7.24 30.38 0.33 1.4 60 B 1.5/2 0.7/2 3.04 7.22 7.83 28.08 0.42 1.3 51.6 C 57 11 60.04 18.22 62.74 3.51 3.3 1 3.51 D 24 1.4 84.04 19.62 86.30 2.55 4.3 1 2.55 23 CALENTAMIENTO DE UN CONDUCTOR EN C.C. Ecuación del calentamiento adiabático (t < 5 seg.) C.C. que produce el calentamiento máximo admisible ?i t 2 0 Valores de K PVC XLPE Cu 115 135 Al 74 87 dt ? ? Tad Trég i 2 R dt ? Ce? V dT C e? l S dT ? K 2 S 2 ?l S ? tipo de conductor( ? , ? ) K? ? tipo de aislamient o (Trég , Tad ) ?i t 0 2 ?: densidad V: volumen dt ? K 2 S 2 Tad: 1600 C PVC 2200 C XLPE • Cortocircuitos largos (t > 0.1 s) Calentamiento producido por componente continua << icc ? 2 I k sen? t ? ? i dt ? I t 2 0 t ? K 2S 2 2 k S t ? ( K ? ) 2 ? tad I •Cortocircuitos cortos (t < 0.1 s) ? icc no senoidal ?i t 0 2 t dt ? ?? ? i 2 dt ?? ? K 2 S 2 ? 0 ?adm I2t que deja pasar la protección DATO DADO FABRICANTE 24 12 ATENUACION I’’ K A LO LARGO DE CABLES DE DISTINTA SECCIÓN Corriente de cortocircuito IK, en dependencia de la longitud l y la sección q de los conductores(ejemplo) 25 ATENUACION DE LA I’’K EN UNA INSTALACIÓN TÍPICA Amortiguamiento de la corriente de cortocircuito por los cables y conductores de la distribución 26 13 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 esta instalado TIEMPO DE CORTE DISP. t c ? tadm (Tc t adm Tadm ) para cualquier c.c. originado en el circuito que protege el dispositvo. Cortocircuitos largos (t > 0.1 s) Condiciones que deben cumplir los dispositivos de protección contra cortocircuitos: t : Tiempo admisible en segundos. ad I: Valor eficaz de la corriente de c.c. prevista en A. S 2 t ad = ( K ? ) I 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 t) Disp ? (I 2 t) adm ? ( K ?S ) 2 2 (I2t)Dsip: Característica dada por el fabricante. 27 SELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A C.C. I2t admisible para distintos tipos de cable. (I2t)adm Secc. 2 (mm ) Al, PVC 6 16 1,4 × 10 35 6,7 × 10 6 70 2,7 × 10 95 4,9 × 10 7 120 7,9 × 10 240 3,2 × 10 8 7 7 Al, Poliet. 1,9 × 10 6 9,3 × 10 6 3,7 × 10 7 6,8 × 10 7 1,1 × 10 8 4,4 × 10 8 Cu, PVC 6 Cu, Poliet. 6 3,4 × 10 4,7 × 10 1,6 × 107 2,2 × 107 7 7 6,5 × 10 8,9 × 10 1,2 × 108 1,6 × 108 8 8 1,9 × 10 2,6 × 10 7,6 × 108 1,0 × 109 28 14 PROTECCIÓN MEDIANTE INTERRUPTOR AUTOMÁTICO Conductor Condiciones que debe cumplir el I.A. para que la línea este efectivamente protegida Poder de Corte del I.A. > Icc,máx(prevista) ? Ik máx a) 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 admisible por el cable). Ik max 29 CARACTERISTICAS I2 t/Icc (MAGNETOTÉRMICOS) 107 I2 t(A2 ·s) 50 106 DX 1 a 63 curva C unipolar a 230 V bipolar, tripolar y tetrapolar a 400 V 63 32 25 16 105 40 10 20 6 104 Los calibres 1, 2, 3 A limitan a valores inferiores a 1000A2s 103 102 101 100 101 102 103 104 IK(A) 105 30 15 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 Se calculan las Rk , Xk , Zk , e Ik A B C I z ? 60 A Trafo L1 L2 Ri(m? ) 2,29 3 89 Xi (m? ) 6,87 1,4 3,5 ? Ri (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) a) 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) 31 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 c) La línea L2 está constituida por cable de cobre de 10 mm2 aislado en PVC: (I2t)adm =(115 × 10)2 = 1,3 x106 A2s. 1250 A Entrando con este valor en la característica de I2t: 13 kA 2500 A Icc,máx = Ik (B) = 21,56 > Ib ? 13 kA > ? NO cumple criterio c) 32 16 PROTECCIÓN MEDIANTE FUSIBLE F IK Línea efectivamente protegida: a) Poder de Corte del Fusible > Icc, máx b) Icc, mín > Ia ó tad < tF (la caract. I/t del FUSIBLE está por debajo de la caract. (I/t)adm del cable). 33 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. Icc calculadas son: Trafo L1 L2 Ri(m? ) 2,29 3 89 Xi (m? ) 6,87 1,4 3,5 ? Ri (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 10 ? ? ? ?115 ? 2290 ? ? a) El poder de corte de los FUS. es de: 100 kA > 30,28 KA = Icc-máx. ? todos valen tad b) Icc, mín = 2.229 KA Fusibles válidos: c) Tiempo que soporta los cables la sobrecorrinete 2,29(C) tad ? 0.25 seg In: 200, 160, 125, 100, 80 y 63 A 34 El de 50A no ya que IZ = 60 A 17 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 ). 35 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 (In = 500 A) ya que es el que fundirá menos veces. 36 18 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 , t arr), está por debajo de la característica del fusible. 37 19