DIMENSIONAMIENTO Y SELECCIÓN ÓPTIMA NORMALIZADA DE LOS INTERRUPTORES

AUTOMÁTICOS EN BAJA Y MEDIA TENSIÓN

RESUMEN

El objetivo del presente trabajo de investigación

“Dimensionamiento y selección óptimo normalizado de los

interruptores automáticos en baja y media tensión” es dar a

conocer una metodología que permita, en forma clara y precisa

dimensionar y seleccionar adecuadamente los equipos automáticos

de protección en baja y media tensión.

La información recopilada de los fabricantes en la fabricación de

los interruptores automáticos nos han servido para desarrollar el

presente tema, que estoy seguro será de mucho interés para los

profesionales vinculados con los circuitos eléctricos y sus

aplicaciones.

También se presenta el modelamiento de los diversos circuitos

eléctricos industriales y su comportamiento frente a las

sobrecorrientes y corrientes de cortocircuito. Se desarrolla una

metodología planteada por Fontescue, normas IEC 947 y VDE 102 –

1 - 2 que me permite seleccionar y dimensionar los interruptores

automáticos en baja y media tensión.

Finalmente los beneficiados con ésta investigación serán los

estudiantes y profesionales de ingeniería eléctrica vinculados con

la energía eléctrica en su generación, transmisión, distribución y

comercialización.

0

ABSTRACT

The objetive of the present work of investigation Dimensionament and

Seleccion Best common of the switches automatics on under and middle

voltage, is give to know a methodology who permiting in form clear and

precise, to dimension and to select suitably the automatic teams of protection

on under and middle voltage.

The collect informations of the manufacturers in the making of the automatic

swtches to use my to develop the present subject.

I sure to be much interest for the bonds professionals with the electric circuits and its applications.

Also to be present the modelamient of the various electric industrial circuits

and its behavior front over current and short circuit current.

He develop a consideret methodology for Fontescue, rules IEC 947, VDE 102 –

1 - 2 who may I permit to select and to dimension the automatic switches on

under and middle voltage.

Finally the beneficiads with this research the students and professionals of electric ingineering bonds with the electric energy in his generation, transmission, distribution and comercialition.

1

INTRODUCCION

En los primeros capítulos se desarrollan los conceptos básicos

utilizados en electrotecnia, con esta base y utilizando información

moderna proporcionada por los fabricantes, se describen la

constitución electromecánica, clasificación, normalización,

selección y regulación de los interruptores automáticos en baja y

media tensión.

Se presenta la normalización de los interruptores automáticos, en

el se justifica la presencia de los interruptores en los circuitos

frente a las perturbaciones de los sistemas eléctricos de potencia.

También se utilizan las normas internacionales VDE 102 – 1 – 2 e

IEC 947 así como el teorema de Fontescue.

Incluimos los resultados de la presente investigación los mismos

que consisten en: Análisis técnico económico, experiencia, vida útil

y datos para la adquisición de interruptores automáticos de baja y

media tensión.

Considerando que los interruptores automáticos de baja tensión,

no detectan las corrientes de fuga a tierra y son instalados en los

circuitos domiciliarios es que presentados el desarrollo breve de los

interruptores diferenciales, los mismos que si detectan las

corrientes de fuga a tierra, cuya presencia son muy nocivos para el

ser humano.

2

ALCANCES DE LA INVESTIGACION

Esta investigación es del tipo básico, dado que se utilizarán las normas

Internacionales IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) y VDE

(Asociación de electrotécnicos Alemanes) que no se hallan a disposición

del usuario, para aplicar una metodología que nos conduzca a realizar un

Dimensionamiento y selección óptimo normalizado de los interruptores

automáticos en baja y media tensión.

Con los resultados de ésta investigación los directos beneficiados serán

nuestros Estudiantes y Docentes de la FIEE – UNAC, las empresas

pertenecientes al sector eléctrico, los profesionales y diseñadores de

proyectos del campo de ingeniería eléctrica, ya que podrán realizar el

dimensionamiento y selección mas conveniente de los interruptores

automáticos.

MODELAMIENTO DEL SISTEMA

Actualmente, dado los altos avances tecnológicos, se utilizan los interruptores

automáticos los mismos que presentan las siguientes ventajas:

Abre y cierra con carga, regulable, selectivo, rearmable, ocupa poco espacio.

tiene cámara de extinción y presenta mucha seguridad mecánica.

Los interruptores automáticos (IA) modernos se clasifican como sigue:

. Magnéticos fijos y regulable.

. Termomagnéticos fijos y regulables.

. Térmico fijo y magnético regulable.

. Térmico regulable y magnético fijo

3

Térmica Protección contra las sobrecorrientes.

Magnética Protección contra las corriente de corto circuito.

Corriente de corto circuito.- Es el abundante flujo de electrones que

fluye por un punto defectuoso mientras dura la falla.

Modelo.- Es la representación física de un sistema eléctrico para lo cual

se utilizan elementos pasivos (R, L y C) y elementos activos (fuentes AC).

Interruptor.- Equipos diseñados para despejar, en forma rápida, las

fallas de sobrecorriente y corto circuito ocurridos en un sistema eléctrico.

Modelo de un sistema eléctrico elemental

Cuando se produce el corto circuito sucede :

. El Generador ve que la impedancia total cae bruscamente.

. En consecuencia el generador inyecta una alta corriente llamado

corriente de cortocircuito Icc.

. El IA debe despejar la falla de inmediato.

NORMALIZACION DE INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

En el presente trabajo se pretende dar a conocer el contenido de las

Normas Internacionales IEC y VDE. Estas normas presentan una

terminología clara y cabal sobre los equipos y elementos que

conforman los SISTEMAS DE PROTECCION. Además se definen los

conceptos de :

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Seleccionar en forma adecuada el equipo eléctrico.

Protección de los equipos que gobiernan las cargas.

Realizar la coordinación y el ajuste de la protección.

Los aparatos de protección tienen la función de interrumpir el flujo de

energía eléctrica (sacando fuera de servicio a la carga, desconectándolo

de la línea de alimentación), cuando se presentan :

. Irregularidades en su funcionamiento de la carga ó

. Variaciones de V, I y F nominales del sistema eléctrico.

Estas normas nos brinda los procedimientos adecuados para la selección

y dimensionamiento de los interruptores automáticos en baja y media

tensión. Esta norma nos proporciona los parámetros mas exactos

aplicable a generadores, transformadores, líneas y usuarios en baja

tensión.

IEC 947 parte 2 Vn < 1Kv Baja tensión.

IEC 898 Vn < 1Kv Instalaciones

domiciliarias

IEC 364 Vn < 1Kv Instalaciones

domiciliarias

IEC 479 Vn < 1Kv Efectos fisiológicos de la

electricidad

Estas normas son aplicadas exclusivamente en la selección de interruptores

automáticos. Por otro lado contamos con las normas internacionales VDE

que son mucho mas estrictas que las IEC en la selección y

dimensionamiento de interruptores automáticos en baja y media

tensión.

VDE 0102, parte 1 Vn > 1 Kv Media tensión

VDE 0102, parte 2 Vn < 1Kv Baja tensión.

MISIÓN DE LOS EQUIPOS DE PROTECCION

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Los equipos de protección, instalados dentro de un circuito eléctrico, son

muy importantes por:

. Proteger físicamente al personal técnico.

. Prevenir ó atenuar los daños al conjunto de equipos.

. Minimizar el tiempo de indisponibilidad de los equipos y las

interrupciones a los sistema servidos.

. Minimizar el efecto de las perturbaciones sobre el resto de la red.

. Aísla rápidamente los elementos fallados evitando la pérdida de la

estabilidad del sistema eléctrico.

. Utilización de equipos adecuados para que el sistema trabaje bien y

por ende tengamos una energía de alta calidad.

ESTUDIO DEL CORTO CIRCUITO

A fin de proteger al sistema ante estas fallas es de necesidad conocer la

magnitud de estas corrientes altas con la finalidad de:

. Diseñar y verificar la malla de puesta a tierra.

. Coordinar y calibrar los equipos de protección.

. Elegir y verificar la capacidad interruptiva de los

interruptores.

. Diseñar el sistema de arranque de los equipos.

. Elegir y verificar la capacidad momentánea de los equipos.

. Verificar los esfuerzos que se presentan en las barras y/o estructuras.

. Parámetros equivales para los estudios de sobretensiones y

armónicos.

. Calidad de energía en los SEPs.

Para realizar el estudio de corto circuito utilizaremos, a continuación,

herramientas muy importantes que nos facilitarán encontrar en forma

rápida las magnitudes de las corrientes de cortocircuito en sus tres

periodos.

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METODOS COMPUTACIONALES

Es una metodología que se utiliza para hallar la solución de una red

grande con n generadores. Estos métodos computacionales por lo

general siguen los siguientes cuatro pasos:

. Formar la matriz de tensiones durante la pre-falla.

. Formar la matriz [Z] de barra de la red pasiva considerando las

reactancias de los generadores. (Inversa de [Y]).

. Calcular el incremento de voltaje que se produce al excitar a la red

en

el punto de falla por la fuente de corriente If, y con los generadores

reemplazados por sus reactancias.

. Calcular las tensiones en cada barra por superposición del voltaje

inicial

más el incremento de voltaje del paso anterior.

Programas computacionales utilizados para el calculo de las corrientes de

cortocircuito son los siguientes: CESI, DIGSILENG, CYME, ETAP, PTI, ASPEN,

ATP Y MATLAB.

Los métodos computacionales nombrados son muy utilizados desde hace

varios años por algunas empresas eléctricas peruanas, pero en las

universidades nacionales no disponemos de esta herramienta dado su

elevado costo de adquisición.

TEOREMA DE FONTESCUE

Este teorema plantea que un sistema eléctrico puede ser descompuesto

en tres subsistemas denominados secuencias positiva, negativa y cero.

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Secuencias positiva, negativa y cero según el caso

Según el tipo de corto circuito ocurrido y teniéndose en cuenta el

tipo de aterramiento utilizado se pueden plantear el modelo

adecuado.

SELECCIÓN DE INTERRUPTORES AUTOMATICOS

Los Interruptores termomagnéticos han sido diseñados especialmente

para despejar en forma rápida las fallas de sobrecorriente y cortocircuito.

El tiempo del despeje dependerá de la regulación a la cual ha sido

calibrado el IA. (ver las curvas del fabricante de los interruptores

termomagnéticos).

La selección está definida por las norma internacionales IEC 947, VDE

102, NEMA AB-1 y UL – 489.

PARÁMETROS MINIMOS EN LA SELECCIÓN DE LOS IA

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Respecto a los valores de corrientes, para seleccionar correctamente un

interruptor automático fijo ó regulable, es necesario minimamente

disponer de los siguientes parámetros:

. Corriente nominal (In). KA

. I diseño = 1.2 In KA

. I elegido ó comercial KA

. Regulación Térmica = In / I elegido

. Regulación Magnética = I”max 3 / I elegido

. Potencia inicial de CC (MVA).

. Capacidad de impulso (MVA).

. Capacidad de ruptura (MVA).

. Poder de corte (MVA).

Con todos estos datos se puede seleccionar correctamente un interruptor

automático válido en baja y media tensión.

COORDINACIÓN DE LA PROTECCIÓN

A continuación presentamos la descripción pormenorizada de los 06

vernieres instalados en la parte frontal de los interruptores automáticos.

1 Io Regulación térmica previa de la corriente nominal.

2 Ir Regulación térmica de la previa sobre la corriente

nominal.

3 Im Regulación magnética basado en la regulación térmica.

4 Im Regulación magnética basado en la corriente nominal

del IA.

5 tr Tiempo de actuación de largo retardo (15 a 480 seg)

6 tm Tiempo de actuación de corto retardo (0 a 0.3 seg)

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Regulación térmica, magnética y sus respectivos tiempos de los interruptores termomagnéticos automáticos

RESULTADOS

Los resultados de la presente investigación serán aplicados en beneficio

de nuestra Universidad, Institutos y Centros de Investigación en el

manejo de la energía eléctrica. Las Universidades y Centros de

capacitación no cuentan con los procedimientos para el

dimensionamiento y selección de los interruptores automáticos

recomendados en las actuales normas peruanas.

Conocedor de la situación técnica industrial en la que se encuentra

nuestro país podemos afirmar lo siguiente:

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PROTECCION EN BAJA TENSION ING. HUBER MURILLO M

REGULACION TERMICA Y MAGNETICA EN LOS IA

Ir 0.4 … 1 In

1 2

Im 1.5 … 10 Ir3

I 1.5 … 10 In

4

Tiempo

X In Amperios

5 15 … 480 seg

6

0 … 0.3 seg

In = 1000 A

1 Io 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 1

Io = 0.8 x 1000 = 800 A

2 Ir 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.95 1

Ir = 9 x Io = 9 x 800 = 720 A

3 Im 1.5 2 3 4 5 6 9 10

Im = 5 x Ir = 5 x 720 = 3600 A

4 Im 1.5 2 3 4 5 6 9 10

Im = 6 x In = 6 x 1000 = 6000 A @

Las instalaciones eléctricas que utilizan seccionador – fusibles son:

. Instalaciones domiciliarias 70%.

. Instalaciones comerciales 60%.

. Instalaciones industriales 50%.

La solución es utilizar únicamente Interruptores Automáticos en el 100%

de

las instalaciones domiciliarias, comerciales e industriales.

Analizado y encuestando a una veintena de usuarios nos encontramos

con una triste realidad, y es que los usuarios no conocen las grandes

ventajas que presentan los interruptores automáticos.

La solución en la operación segura de los circuitos eléctricos es la

utilización de los interruptores automáticos los mismos que deben ser

óptimamente seleccionados según las características del circuito

eléctrico.

DISCUSION

Todos los autores consultados coinciden en señalar que en los trabajos

vinculados con la electricidad se debe garantizar la seguridad integral de

las personas y elementos de su entorno, en tal sentido podemos afirmar

que:

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. Que los dispositivos, mas adecuados, que se utilizan para proteger al

personal técnico vinculado con los equipos y máquinas eléctricas

son los interruptores automáticos.

. El equipo idóneo para controlar y proteger los sistemas eléctricos de

corriente continua y alterna son los interruptores automáticos.

Algunos autores manifiestan que la utilización de los seccionadores

fusibles benefician mas al usuario dado su bajo costo y sobre la seguridad

que provee depende muchísimo de la capacitación del personal técnico,

sobre la manipulación y reemplazo de fusibles.

Estos dos manifiestos me permiten plantear las conclusiones y

recomendaciones que a continuación acompaño.

CONCLUSIONES

Después de haber estudiado a profundidad los interruptores

automáticos, donde se ha resaltado el procedimiento a seguir en la

selección de los mismos es que presentamos finalmente las siguientes

conclusiones:

Sobre las prestaciones.- Dado la necesidad de contar con una amplia

seguridad en la manipulación de estos equipos es que se construyen

totalmente compactos y encapsulados de esta forma las prestaciones

mas importantes de estos equipos es conectar, abrir, controlar y

proteger los circuitos eléctricos conformados por las fuentes de energía,

conductores alimentadores y sus respectivas cargas.

De las características de trabajo.- Hemos manifestado muchísimas

ventajas de éstos equipos entre los que mencionaremos nuevamente:

Selectividad, confiabilidad, estabilidad, sensibilidad, simplicidad,

fiabilidad, coordinación de la protección (regulación de la corriente y

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tiempo de accionamiento) y bajo costo de mantenimiento, pudiendo

trabajar en zonas muy agrestes y soportar vibraciones considerables.

De las comunicaciones.- Estos equipos en la actualidad trabajan con

un puerto serial donde se conecta una interfase hombre máquina (IHM),

que me permite interactuar con un computador. Teniendo la información

ON LINE en mi puesto de trabajo puedo controlar, programar, abrir ó

cerrar cualquier circuito en forma remota y/o local. Están preparados

para trabajar en redes LAN, WAN, fibras ópticas u otro medio utilizado en

comunicaciones. Esto me permite integrar los procesos y procedimientos

y por ende minimizar costos.

De la protección Integral.- Se ha demostrado que estos equipos

pueden detectar las perturbaciones ocurridas en un circuito eléctrico de

corriente continua ó alterna, en este sentido, se complementan con un

circuito electrónico el mismo que posee una gama muy amplia de

controles y protecciones contra cualquier alteración de los parámetros

eléctricos.

De la vida útil.- Dado su importancia dentro del los circuitos eléctricos,

estos equipos son fabricados utilizando componentes modernos con

tecnología punta garantizando por lo general que sobrepasen

largamente su tiempo de diseño de vida útil, el mismo que sobrepasa los

20 años.

RECOMENDACIONES

Siendo muy amplio el tema de las recomendaciones, es que voy a

recalcar algunos procedimientos detallados en el presente trabajo y

aplicados en el campo industrial, los mismos que pasamos a recalcar:

La selección.- Seguir estrictamente el procedimiento contemplado por

las normas internaciones VDE 102 – 1 – 2 , IEC 947 y ocasionalmente el

Teorema de Fontecue, que son compatibles con las normas de nuestro

país.

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Dado su importancia es que estamos acompañando el apéndice A sobre

los interruptores diferenciales que es obligatoriamente utilizado en la

industria de la construcción y cualquier circuito que necesite detectar

corrientes de fuga a tierra y/o entre fases.

Los protocolos de prueba.- Antes de poner en servicio un interruptor

automático es necesario comprobar su accionamiento (por

sobrecorriente y cortocircuito), aislamiento, entre otros; con estos datos

puedo verificar que el equipo se halla en perfectas condiciones de

trabajo. Siendo así este equipo se halla apto para ser instalado IN SITU y

probado nuevamente (pruebas de rutina) de esta forma podemos afirmar

que el equipo se halla apto para trabajar.

En la puesta en servicio.- El Técnico antes de instalar estos equipos

deberá chequear si las características del interruptor automático coincide

con las requeridas en el plano eléctrico del circuito. Seguidamente se

debe realizar la coordinación de la protección en función de los demás

interruptores que se hallan aguas arriba y abajo. Es muy importante,

antes de activar un circuito con el interruptor automático se tiene que

verificar que el circuito este apto para recibir energía eléctrica.

En las redes de comunicación local y remota.- Si la empresa ya

maneja redes es conveniente tener interconectados los diversos

interruptores automáticos a un computador central para de esta forma

poder controlarlos y hasta regularlos según la necesidad del proceso y/o

flujo de producción.

Optimización en el control y protección.- Un sistema eléctrico

presenta un control y protección optimizados cuando los equipos se

hallan estratégicamente instalados y monitoreados en forma local ó

remota.

Siempre usar equipos de marca.- Al adquirir un interruptor

automático, solicitar la hoja técnica del mismo (el fabricante esta en la

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obligación de darnos), en ella se podrá constatar los parámetros de placa

y los demás detalles ya estudiados.

Nunca realizar un trabajo temporal.- En nuestro país todo trabajo

temporal, se convierte en definitivo, de manera que es mejor no hacer el

trabajo(esta referido a los reemplazos temporales de conductores,

contactores, interruptores automáticos muy pequeños ó muy grandes).

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