Tema 6

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