Universidad de Castilla – La Mancha TECNOLOGÍA ELÉCTRICA CURSO 2009/2010 Tema 3. Protección de las Instalaciones Eléctricas Raquel García Bertrand Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, Automática y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Contenidos 1. Sistemas de protección 2. Aparamenta 2.1. Aparamenta de maniobra (apertura y cierre) 2.2. Aparamenta de protección (relés) 2.3. Aparamenta de maniobra y protección 3. Protección frente a sobrecorrientes 3.1. Protección de cables 3.2. Protección de redes de distribución 4. Protecciones diferenciales 2 1. Sistemas de protección Las instalaciones y las redes de media y baja tensión se ven afectadas esporádicamente por perturbaciones que hacen que corrientes, tensiones o frecuencia alcancen valores fuera de rango. Causas: Sobretensión: Puede provocar perforación del aislamiento y establecimiento de arcos eléctricos Sobrecarga: Puede provocar calentamientos indeseables Cortocircuito: Puede provoca una sobrecorriente de valor muy elevado respecto a la nominal 3 Sistemas de protección Los dispositivos de protección son elementos que se instalan en las redes para garantizar la continuidad del suministro, la protección de los elementos de la instalación y la seguridad de las personas El sistema de protección está formado por: Aparamenta de protección (relés) Aparamenta de maniobra y corte (seccionadores, interruptores, fusibles) Transformadores de protección (de corriente y de tensión) 4 Sistemas de protección Estructura general del sistema de protección 5 Sistemas de protección El sistema de protección debe cumplir los requisitos: 1. Seguridad 2. Obediencia 3. Fiabilidad 4. Sensibilidad 5. Rapidez 6. Selectividad 7. Automaticidad 8. Estabilidad 9. Simplicidad 10. Mantenimiento reducido 11. Modularidad 6 2. Aparamenta de maniobra Aparatos capaces de efectuar alguna de las siguientes operaciones: 1. Interrumpir la corriente de un circuito eléctrico 2. Establecer la corriente de un circuito eléctrico Condiciones: 1. Funcionamiento en vacío (no hay cargas conectadas). La tensión del sistema es la nominal (o próxima) y la corriente es nula 2. Funcionamiento normal. Por el circuito circula la corriente nominal (o de sobrecarga) 3. Funcionamiento anormal. Por el circuito circula una corriente de cortocircuito debida a una falta 7 Aparamenta de maniobra Caracterización de la aparamenta de maniobra Interrupción Establecimiento Vacío Normal Anormal Vacío Normal Anormal Interruptor automático Sí Sí Sí Sí Sí Sí Seccionador Sí No No Sí No No Interruptor Sí Sí No Sí Sí Sí Interruptor seccionador Sí Sí No Sí Sí Sí Contactor Sí Sí No Sí Sí No Fusible No Sí* Sí No No No (*) en condiciones de sobrecarga 8 Aparamenta de maniobra Es posible agregar dos a más dispositivos para obtener todas las funciones necesarias Ej: Fusible + interruptor seccionador = interruptor automático El cortocircuito, la apertura y el cierre de un circuito eléctrico originan fenómenos transitorios que pueden provocar problemas en el funcionamiento del sistema eléctrico 9 Aparamenta de maniobra Apertura de los circuitos eléctricos Operación necesaria para cambio de configuración de la red o eliminación de faltas Tipos de apertura de circuitos: 1. En vacío: cuando por el circuito no circula corriente 2. En carga: cuando por el circuito circula corriente (más costoso) Poder de corte: máxima corriente que el aparato puede interrumpir sin dañarse 10 Aparamenta de maniobra Apertura de los circuitos eléctricos Apertura ⇒ separación / unión de piezas metálicas de gran conductividad: electrodos (contactos) Arco eléctrico ⇒ ionización del medio aislante entre dos partes conductoras con niveles de tensión diferentes (campo eléctrico > rigidez dieléctrica aislante) Gran disipación de energía ⇒ ↑↑ temperatura (8000 ºC) Volatilización de partículas de los contactos Modelo eléctrico ⇒ resistencia variable (depende de la Tª) Necesidad de eliminación (extinción) rápida ⇒ evitar deterioros Arco más problemático ⇒ apertura de circuito 11 Aparamenta de maniobra Apertura de los circuitos eléctricos Circuitos de corriente alterna: El arco se extingue de manera natural con el paso por cero de la corriente cada medio ciclo Circuitos de corriente continua: El arco se extingue aumentando la distancia entre los electrodos (más lento que la extinción en alterna) 12 Aparamenta de maniobra Apertura de los circuitos eléctricos La tensión entre los electrodos tras la apertura del aparato de maniobra depende del circuito donde está instalado. Tiene dos componentes: Componente transitoria o tensión transitoria de restablecimiento (frecuencias propias del circuito) Componente permanente o tensión de retorno (frecuencia de la red) vi (t) iL ( t ) R 2V cos(ωt + ϕ) G C t=0 L G C v C (t ) iCC ( t ) 13 Aparamenta de maniobra Apertura de los circuitos eléctricos v C ( t ) = v i ( t ) = Ae αt cos( ωn t + η) + B cos( ωt + ψ ) La componente transitoria puede alcanzar valores de cresta muy elevados, 3 2V vi (t) 2 V cos( ωt ) t iCC ( t ) 14 Aparamenta de maniobra Cierre de los circuitos eléctricos Operación necesaria para cambio de configuración de la red o protección Tipos de cierre de circuitos: 1. El cierre no produce circulación de corriente 2. El cierre sí produce circulación de corriente (más costoso) Poder de cierre: máxima corriente que el aparato puede cerrar sin dañarse Sobrecargas transitorias tras el cierre. La corriente inicial de algunas lámparas puede ser mucho mayor que la corriente nominal Los motores de inducción se caracterizan por elevadas corrientes durante el arranque (entre 5 y 8 veces la corriente nominal) 15 Aparamenta de maniobra Clasificación: Interruptor automático Seccionador Interruptor Interruptor seccionador Contactor 16 Aparamenta de maniobra Interruptor automático Corta y establece corrientes en condiciones normales y anormales de funcionamiento. Conduce corrientes normales y, durante un tiempo determinado y limitado, corrientes anormales En condiciones normales tiene dos posiciones estables sin limitación de tiempo: abierta o cerrada En condiciones anormales la posición abierta/cerrada puede mantenerse hasta algunos valores límites de corriente y de tiempo 17 Aparamenta de maniobra Interruptor automático Tipos: de aire, de aceite, de aire comprimido, de SF6 y de vacío Parámetros principales 1. Tensión nominal. Tensión más elevada que el interruptor automático puede soportar en condiciones de funcionamiento normal. Está normalizada 2. Frecuencia nominal. Frecuencia eléctrica de operación del interruptor automático 3. Corriente nominal. Valor eficaz de la corriente que debe poder conducir a la frecuencia nominal sin dañarse y sin alcanzar temperaturas peligrosas 4. Nivel de aislamiento. Máximo valor de impulso de tensión a la frecuencia nominal (50 Hz) que puede soportar sin dañarse 18 Aparamenta de maniobra Interruptor automático 5. Tensión transitoria de restablecimiento. Límite de tensión transitoria que debe soportar en caso de un cortocircuito en su proximidad Normativa: VN > 100 kV v v2 v VN ≤ 100 kV v1 v1 t1 t2 t t1 t 19 Aparamenta de maniobra Interruptor automático 6. Poder de corte nominal en cortocircuito. Valor eficaz de la máxima corriente de cortocircuito que es capaz de abrir en un circuito que tenga una tensión de retorno a la frecuencia nominal igual a la tensión nominal del interruptor y una tensión de restablecimiento igual a la tensión transitoria de restablecimiento del interruptor 7. Poder de cierre nominal. Valor máximo de la corriente de cortocircuito que es capaz de establecer 8. Número de maniobras por unidad de tiempo. Número de aperturas y/o cierres por unidad de tiempo que puede soportar sin dañarse en condiciones normales de funcionamiento 9. Número de maniobras totales garantizadas. Mínimo número total de aperturas y/o cierres que el interruptor automático puede soportar a lo largo de su vida 20 Aparamenta de maniobra Interruptor automático Poder de corte depende del valor eficaz de la corriente de cortocircuito y es independiente de la componente continua de la corriente de cortocircuito Poder de cierre es función del valor máximo de la corriente de cortocircuito (esfuerzos electrodinámicos sobre los electrodos) Valor máximo de la corriente de cortocircuito es: Ι pico = 2Ι ac + Ι dc = 2Ι cc + 0.8 2Ι cc ≈ 2.5Ι cc (BT, método B , Norma IEC 60909) Ejemplo: poder de corte de 10 kA ⇒ capaz de abrir una corriente de cresta de hasta 25 kA 21 Aparamenta de maniobra Interruptor automático El poder de corte no está relacionado necesariamente con la corriente nominal del interruptor automático ΙNA ≠ ΙBN A Ι CC = ΙBCC Ι BN ΙNA S AN = 75 kVA A Ι CC Ι BCC SBN = 50 kVA 22 Aparamenta de maniobra Interruptor automático El poder de corte no está necesariamente relacionado con la corriente total de cortocircuito máx {Ι1, Ι 2 } ≠ Ι CC Ι2 Ι CC Ι1 Ι CC 23 Aparamenta de maniobra Seccionador Une o separa de forma visible dos partes de un circuito. Puesta a tierra de los componentes de una red. Garantiza seguridad en los trabajos de inspección, mantenimiento o sustitución de componentes Normalmente abre/cierra sin carga (media tensión con cargas pequeñas), no tiene poder de corte Debe soportar durante un tiempo los efectos de las corrientes de cortocircuito Mecanismos de enclavamiento para evitar operaciones incorrectas El accionamiento en media tensión suele ser manual (directo) o 24 mediante pértiga o palanca. Para potencias elevadas se accionan por control remoto Aparamenta de maniobra Seccionador Atendiendo a sus formas constructivas: De cuchillas giratorias De cuchillas deslizantes De columnas giratorias De pantógrafo 25 Aparamenta de maniobra Interruptor Capaz de establecer, conducir y interrumpir corrientes en condiciones normales de funcionamiento. También puede establecer y, durante un tiempo limitado, conducir corrientes en condiciones de funcionamiento anormal Similares a los interruptores automáticos pero no pueden cortar las corrientes de cortocircuito 26 Aparamenta de maniobra Interruptor seccionador Mismas funciones que el interruptor y además en la posición abierta tiene las mismas características que el seccionador 27 Aparamenta de maniobra Interruptor y Interruptor seccionador Tienen dos posiciones estables (abierta o cerrada) Se caracterizan por su poder de corte (normal) y poder de cierre (anormal). Análogo al interruptor automático Su aplicación principal es interrumpir la corriente de las cargas, de los circuitos en anillo, de las líneas aéreas cortas y de los motores 28 Aparamenta de maniobra Contactor Interrumpe, establece y conduce la corriente en condiciones normales de funcionamiento. No puede cortar o cerrar corrientes de cortocircuito. Sólo una posición estable (generalmente abierto). Cambia de posición tras el suministro de energía de una fuente externa. Si se corta el suministro vuelve a su posición estable Se caracteriza por el valor límite de la corriente que puede interrumpir y establecer en condiciones de funcionamiento normal 29 Aparamenta de maniobra Contactor El poder de corte y el poder de cierre se definen mediante el valor eficaz de la máxima corriente que se alcanza en condiciones normales en la rama donde está instalado Capacidad de soportar un número elevado de maniobras de apertura y cierre. Se utiliza asociado a cargas o asociado a interruptor para evitar su apertura en condiciones normales de funcionamiento 30 Aparamenta de protección Emplean señales proporcionales a las tensiones y/o corrientes y mandan una o más acciones de apertura y/o cierre a los aparatos de maniobra. Las señales se obtienen a través de trafos de medida Código ANSI [ANSI IEEE C37/2] y el reglamento CEI [UNE-EN 60617] 31 Aparamenta de protección Códigos internacionales de algunos de los relés más utilizados en la práctica Código Definición 2 Relé de tiempo diferido 21 Relé de mínima impedancia (o mínima distancia) 27 Relé de mínima tensión 32 Relé direccional de potencia 37 Relé de mínima corriente (o mínima potencia) 49 Relé térmico para máquinas o transformadores 50 Relé instantáneo de máxima corriente 51 Relé de máxima corriente 59 Relé de máxima tensión 64 Relé de falta a tierra 67 Relé direccional de máxima corriente 68 Relé de bloqueo 76 Relé de máxima corriente continua 81 Relé de frecuencia 87 Relé diferencial 92 Relé direccional de tensión y potencia 32 Aparamenta de protección Un relé debe ser fiable, selectivo y rápido Los relés pueden ser de diversos tipos: Electromagnéticos Térmicos Electrónicos Digitales o con microprocesador La mayoría de los relés instalados son electromagnéticos, térmicos o electrónicos 33 Aparamenta de protección Relé de actuación instantánea Actúa instantáneamente en función del valor de la señal de entrada De máxima corriente sólo actúa si la corriente de entrada Ig es mayor que una corriente de ajuste Imax. La característica de actuación es: Ι g ≥ Ι max Análogamente existen relés de mínima corriente ℑ Área de actuación ℑ Ι max Ι max ℜ ℜ (a) (b) 34 Aparamenta de protección Relé de actuación instantánea Relé electromagnético instantáneo: la armadura móvil se mueve cuando la fuerza magnética supera la fuerza del muelle Km: Kφ2 - Km > 0 Relé de actuación instantáneo: Se usa como protección frente a cortocircuitos 35 Aparamenta de protección Relé de actuación instantánea Relé electrónico instantáneo: la tensión de ajuste del relé vR ∈ [0,vG]. El transistor funciona como un interruptor: Si vR > vi el transistor está polarizado inversamente y no conduce Si vi > vR el transistor está polarizado directamente y sí conduce vi vR vG 36 Aparamenta de protección Relé de tiempo diferido De tiempo diferido: deja un tiempo entre la detección de la señal que activa el relé y la actuación del mismo. De tiempo inverso: si el retraso es inversamente proporcional a la señal medida Permiten coordinación con otros relés Relé electromagnético de tiempo diferido: El flujo magnético crea un par mecánico en el disco. El disco tarda t en recorrer θ. A mayor corriente, menor tiempo en recorrer el ángulo θ 37 Aparamenta de protección Relé de tiempo diferido Las características de los relés de corriente de tiempo diferido se definen según los siguientes parámetros: 1. Corriente nominal IN. Corriente que puede circular por el relé por un tiempo indefinido en condiciones normales de temperatura sin perjuicio para la vida útil del relé. Está normalizada 2. Corriente de ajuste Ia. El relé la utiliza para detectar la sobrecorriente 3. Curva de actuación k. Familia de curvas 4. Corriente de actuación instantánea. Valor de corriente para el que el relé actúa instantáneamente 38 Aparamenta de protección Relé de tiempo diferido Las características de tiempo inverso pueden ser: normal, inversa alta, e inversa muy alta En la abscisa de las curvas tiempo-corriente: M = I / Ia, donde I es la corriente real medida por el relé Para fijar el tiempo de actuación mediante el factor M de Ia es necesario seleccionar una de estas curvas 39 Aparamenta de protección Relé de tiempo diferido Normal: Adecuada si Icc varía notablemente según el lugar de la falta Adecuada en sistemas donde la impedancia de Thévenin de la red de alimentación es mucho menor que la impedancia de la línea a proteger 40 Aparamenta de protección Relé de tiempo diferido Inversa alta: Adecuada si Icc varía según el lugar de la falta Adecuada para sistemas donde la impedancia de Thévenin de la red de alimentación es menor o igual que la impedancia de la línea a proteger 41 Aparamenta de protección Relé de tiempo diferido Inversa muy alta: Tiempo de actuación depende fuertemente del valor de la corriente de cortocircuito Adecuada: Si Icc varía poco (finita y reconocible) según el lugar de la falta Para la coordinación con fusibles en sistemas de distribución o industriales porque permite sobrecargas transitorias Para proteger líneas que alimentan motores con corrientes de arranque elevadas o cargas con corrientes transitorias elevadas 42 Aparamenta de protección Relé térmico Se aprovecha la relación entre la temperatura y la corriente eléctrica (efecto Joule). Relé de tiempo inverso. Se utiliza en protecciones frente a sobrecargas Tipos de bimetal, de termopar, de resistencia y de imagen térmica. De bimetal (distinto coeficiente de dilatación de los metales de la lámina): (a) calentamiento directo; (b) calentamiento indirecto Ι Ι Ι Ι Ι Ι 43 Aparamenta de protección Relé magnetotérmico En baja tensión se utiliza la asociación de relés térmicos y electromagnéticos instantáneos: magnetotérmicos El ajuste es el siguiente: 1. El relé térmico actúa para corrientes menores de 6 a 8 veces la corriente nominal del circuito que se protege 2. El relé magnético actúa para corrientes mayores de 6 a 8 veces la corriente nominal del circuito que se protege t ΙN 6ΙN 8ΙN Ι 44 Aparamenta de protección Relé diferencial Responde al valor de la suma algebraica de dos o más señales. Cuando la suma supera un valor asignado, el relé actúa Relé diferencial de corriente ΙA ΙB Ιa Ιb Ιc En condiciones normales Ι a está en fase con Ι b e Ιa − Ιb = Ιc ≈ 0 Si la falta ocurre fuera del sistema a proteger, no hay desequilibrio de corrientes 45 Aparamenta de protección Relé diferencial Relé diferencial electromagnético de balanza y circuito equivalente: Ιa Nr / 2 N0 Ιb Área de actuación Nr / 2 Ιb Área de no actuación Ιc Nr / 2 Área de actuación Nr / 2 Ιa Ιb Ιa N0 Ιc 46 Aparamenta de protección Relé direccional Actúa según el desfase de dos señales fasoriales. Detecta el sentido de la corriente de cortocircuito y actúa sólo si esta entra en el área de protección Se usa para la protección frente a cortocircuitos de las líneas alimentadas por dos extremos (redes en anillo o malladas) o para redes con líneas en paralelo 47 Aparamenta de protección Relé direccional de tierra Relés de máxima corriente no eficaces en protección frente a faltas fase-tierra en redes con neutro aislado o puesto a tierra con resistencias de valor elevado, debido a que la corriente de falta es menor que la corriente nominal Relé direccional de tierra es capaz de detectar la dirección de la corriente en el lugar de la falta, señalizando o desconectando la parte puesta a tierra Se suele combinar con relés de tiempo diferido 48 Aparamenta de protección Relé de relación Actúa según la relación entre dos señales Relés de impedancia sensibles a la relación V / I Relé de mínima impedancia se emplea para la protección frente a cortocircuitos. Durante el cortocircuito, la impedancia vista desde la protección disminuye con respecto a un valor determinado. El relé actúa accionando un interruptor Se usa como protección de distancia. Si la impedancia por unidad de longitud es constante, la medida de la impedancia sirve para determinar a qué distancia se ha producido la falta Se usa en: (1) líneas radiales muy ramificadas, en las que la protección temporizada por máxima corriente da lugar a tiempos de actuación demasiado elevados y (2) cables subterráneos cuya resistencia térmica a los cortocircuitos 49 requiere un tiempo de desconexión muy corto Aparamenta de maniobra y protección Fusible Capaz de interrumpir corrientes de sobrecarga y de cortocircuito Compuesto por un conductor en forma de hilo que al fundirse corta la corriente Inconveniente: una vez cortada la corriente, debe sustituirse (proceso de fusión es irreversible) 50 Aparamenta de maniobra y protección Fusible Funcionamiento basado en el efecto joule. Si la corriente que circula por el fusible es mayor que un valor determinado durante un tiempo suficiente se alcanza la temperatura de fusión del material El periodo durante el cual el material se funde y empieza a evaporarse se llama tiempo de prearco. Cuando el material está completamente evaporado se produce un arco conductor El tiempo que va desde la formación del arco eléctrico hasta su extinción se llama tiempo de arco. El arco se extingue cuando finalmente se disipa su energía térmica Para extinguir más rápido el arco se utilizan arenas inertes en el interior del fusible. Pueden formarse pequeñas corrientes residuales durante un tiempo muy reducido denominado tiempo de postarco 51 Aparamenta de maniobra y protección Fusible Durante el tiempo de arco se produce una tensión arco que limita la corriente de cortocircuito. Si resistencia de arco es elevada, la corriente cortocircuito es menor que la corriente máxima cortocircuito i iM de la de de tp y ta son el tiempo de prearco y de arco iM e iL son la corriente máxima de cortocircuito y la corriente limitada de cortocircuito iL tp ta t 52 Aparamenta de maniobra y protección Fusible Principales parámetros: 1. Corriente nominal IN. Es la corriente que debe soportar durante un tiempo indefinido sin fundirse o modificar sus características físicas 2. Corriente de fusión If. Corriente entre 1.4 y 1.5 veces IN. Para estos valores de corriente el fusible no debe fundirse en un tiempo que varía entre 1 y 4 horas. Los límites efectivos son: el fusible no debe fundirse para corrientes menores que 1.2 IN, en cambio debe fundirse para corrientes mayores que 1.6 IN 3. Máxima tensión de funcionamiento. Máxima tensión que el fusible puede soportar sin daños en su aislamiento 53 Aparamenta de maniobra y protección Fusible Característica tiempo-corriente de tiempo inverso No necesita un mecanismo de discriminación según el tipo de falta (protección monofásica) No se suele usar como protección primaria debido a que la corriente de fusión es poco precisa y no puede garantizarse un nivel de precisión adecuado Se usa como protección de apoyo de los contactores 54 Aparamenta de maniobra y protección Fusible Se usa como protección de apoyo de los interruptores cuando la corriente de cortocircuito supera el poder de corte de los interruptores. (se instala siempre aguas arriba del interruptor) Se usa para proteger los transformadores en MT y BT. En el lado de mayor tensión protege frente a cortocircuitos, en el lado de menor tensión protege frente a sobrecargas Combinaciones típicas de fusibles con otros tipo de aparamenta de maniobra: 55 Aparamenta de maniobra y protección Interruptor magnetotérmico Pequeños interruptores automáticos (PIA) para usos domésticos y análogos Se emplean para protección de conductores contra sobrecorrientes: 56 Aparamenta de maniobra y protección Interruptor magnetotérmico 57 Aparamenta de maniobra y protección Interruptor magnetotérmico Dispositivo térmico: 58 Aparamenta de maniobra y protección Interruptor magnetotérmico Dispositivo magnético: 59 Aparamenta de maniobra y protección Interruptor magnetotérmico Interruptor de control de potencia (ICP): Interruptor magnetotérmico especial destinado al control de la potencia contratada por parte de la empresa distribuidora Está destinado a: Cerrar y abrir un circuito por funcionamiento manual Abrir el circuito por funcionamiento automático cuando la intensidad excede de un valor predeterminado 60 Aparamenta de maniobra y protección Interruptor magnetotérmico 61 Ejemplo 1 Accionamiento de motores eléctricos: contactor asociado con fusible t 1.2·In In=70 A Ιa Ι 62 Ejemplo 2 Instalación industrial con dos interruptores con relés contra cortocircuitos: IA1 e IA2: Interruptores automáticos R1 y R2: Relés de tiempo inverso que pasan a disparo para I ≥ 20 Ia t =k 0.14 ; 0.02 M −1 donde M = Ι y k ∈ [0.1,1] Ιa Tensión de la red: 20 kV Impedancia de la red: Zr = j0.05 p.u. Ω (base 25 MVA y 20 kV) Reactancia de la línea: X1 = 0.1 p.u. Ω (base 25 MVA y 20 kV) Carga: 25 MW a 20 kV, cos ϕ = 1 63 Ejemplo 2 1. Corriente de ajuste de los relés 2. Corrientes de cortocircuito máximas y mínimas en A, B y C 3. Valor de k para R2 para que se dispare en el menor tiempo posible Tiempo de actuación de R2 para corrientes de cortocircuito máxima y mínima que puedan causar su disparo Para conseguir una adecuada selectividad en los relés, se ajustan para que R1 dispare 0.3s más tarde que R2 cuando el cortocircuito en C hace circular la máxima corriente por ambos relés 4. Valor de k para R1. Tiempo de actuación de R1 para la corriente de cortocircuito mínima en C 5. Tiempo de actuación de R1 para las corrientes de cortocircuito máxima y mínima en A y B 64