Características de la alimentación suministrada por las redes de distribución pública

Las características principales de la tensión suministrada por una red pública de distribución en media y baja tensión en las condiciones normales de explotación están definidas por la norma EN 50160.

El objeto de esta norma es definir y describir los valores que caracterizan la tensión de alimentación suministrada tal como:

• La frecuencia
• La amplitud
• La forma de onda
• La simetría de las tensiones trifásicas.

La tabla 1 precisa los valores indicados por la norma.

Las características de la tensión dadas en esta norma no están destinadas para utilizarse como niveles de compatibilidad electromagnética.

Nota: 

Las características de la tensión suministrada por las redes de distribución pública en AT y MT deben estar definidas en el contrato de la empresa distribuidora a los usuarios. Tal contrato debe estipular los compromisos de la empresa distribuidora y los del cliente sobre las perturbaciones emitidas (armónicos, flicker, desequilibrios).

Un valor importante, no definido en esta norma, es la potencia de cortocircuito en el punto de entrega:

Un, Vn : Tensión compuesta y simple de la red respectivamente

Z : Impedancia equivalente de la red aguas arriba vista desde el punto de entrega

Icc : Valor de la corriente de cortocircuito trifásica en el punto de entrega

Una potencia de cortocircuito elevada presenta la ventaja de hacer la red menos sensible a las perturbaciones producidas por los usuarios como pueden ser los flicker, armónicos, puntas de corriente en los arranques de motores,…Sin embargo, presenta el inconveniente de necesitar una aparamenta susceptible de vehicular o cortar una corriente de cortocircuito elevada.

La potencia de cortocircuito puede variar según la red, entre los 40 y 750 MVA según:

• La configuración de la red
• El nivel de tensión (10, 15, 20, 30 kV…)
• La lejanía del punto de entrega con relación a la Subestación.

Norma EN 50160	Alimentación en BT	Alimentación en MT
Frecuencia	50 HZ ± 1% durante 95% de una semana. 50 Hz + 4%/-6% durante 100% de una semana.	50 HZ ± 1% durante 95% de una semana. 50 Hz + 4%/-6% durante 100% de una semana.
Variación de la tensión suministrada (1)	Para cada periodo de una semana, 95% de los valores eficaces medios en 10 minutos deben situarse en el rango Un ± 10%	Para cada periodo de una semana, 95% de los valores eficaces medios en 10 minutos deben situarse en el rango Un ± 10%
Variaciones rápidas de tensión (2)	Generalmente < 5% de Un pero pudiendo alcanzar el 10%	Generalmente < 4% de Un pero pudiendo alcanzar el 6%
Huecos de tensión	·          Profundidad (3): Entre 10% y 99% de Un (mayoría de los huecos < 60% de Un) ·          Duración Entre 10 ms y 1 minuto (mayoría de los huecos de tensión < 1 s) ·          Número: Algunas decenas a 1 millar por año	·          Profundidad (3): Entre 10% y 99% de Un (mayoría de los huecos < 60% de Un) ·          Duración Entre 10 ms y 1 minuto (mayoría de los huecos de tensión < 1 s) ·          Número: Algunas decenas a 1 millar por año
Cortes breves	·          Tensión en el punto de entrega < 1% de Un ·          Duración: Hasta 3 min. 70% de los cortes breves tienen una duración < 1 s. ·          Número: Algunas decenas a varias centenas por año	·          Tensión en el punto de entrega < 1% de Un ·          Duración: Hasta 3 min. 70% de los cortes breves tienen una duración < 1 s. ·          Número: Algunas decenas a varias centenas por año
Cortes largos	·          Tensión al punto de entrega < 1% de Un ·          Duración: Superior a 3 min. ·          Número: entre 10 y 50 por año	·          Tensión al punto de entrega < 1% de Un ·          Duración: Superior a 3 min. ·          Número: entre 10 y 50 por año
Flicker (parpadeo de la iluminación)	Plt ≤ 1 (4) durante 95% del tiempo de cada periodo de una semana	Plt ≤ 1 (4) durante 95% del tiempo de cada periodo de una semana
Sobretensiones temporales entre fases y tierra a frecuencia industrial	·          En general, la amplitud puede alcanzar el valor de la tensión entre fases a causa del desplazamiento del punto neutro. ·          Un defecto aguas arriba de un transformador puede producir sobretensiones en el lado de baja tensión durante la duración de la corriente de defecto. La sobretensión no sobrepasa generalmente el valor de 1,5 kV.	·          Para las redes con neutro a tierra conectadas directamente o por una impedancia, la sobretensión no debe sobrepasar 1,7 Un. ·          Para las redes con neutro aislado o con bobina de compensación, la sobretensión no debe sobrepasar 2 Un.
Sobretensiones transitorias entre fases y tierra	·          Amplitud generalmente < 6 kV cresta ·          Tiempo de subida varía entre algunos µs a varios ms (5)	El usuario industrial debe considerar un plan de coordinación del aislamiento compatible con el del distribuidor.
Desequilibrios de la tensión suministrada (6)	Para cada periodo de una semana, 95% de los valores eficaces en un promedio de 10 min. de la componente inversa de la tensión son inferiores al 2%	Para cada periodo de una semana, 95% de los valores eficaces en un promedio de 10 min. de la componente inversa de la tensión son inferiores al 2%
Tensiones armónicas	·          Por cada periodo de una semana, 95% de los valores eficaces de cada tensión armónica en un promedio de 10 min no deben sobrepasar los valores indicados en la tabla 2 ·          La tasa global de distorsión de la tensión (comprendiendo todos los armónicos hasta el rango 10) no deben sobrepasar el 8% ·          Los niveles de tensión interarmónica está en estudio.	·          Por cada periodo de una semana, 95% de los valores eficaces de cada tensión armónica en un promedio de 10 min no deben sobrepasar los valores indicados en la tabla 2 ·          La tasa global de distorsión de la tensión (comprendiendo todos los armónicos hasta el rango 10) no deben sobrepasar el 8% ·          Los niveles de tensión interarmónica está en estudio.
Transmisión de señales de información sobre la red (telemandos centralizados a corriente portadora)	El valor de la tensión de las señales transmitidas, en un promedio de tres segundos no debe en ningún caso sobrepasar los valores indicados en la figura 1	El valor de la tensión de las señales transmitidas, en un promedio de tres segundos no debe en ningún caso sobrepasar los valores indicados en la figura 1

(1) : La variación en tensión suministrada es debido al aumento o disminución lenta de la tensión provocada por las variaciones de carga de la red de distribución pública

(2) : Las variaciones rápidas de tensión suministradas son una modificación de corta duración (algunos segundos) de la amplitud de la tensión proveniente esencialmente de las variaciones de carga del usuario (arranque de motores, puesta en marcha de cargas importantes, …)

(3) : La profundidad de un hueco de tensión está definida como la diferencia entre la tensión eficaz durante el hueco de tensión y la tensión de servicio

(4) : El Plt es la medida de la intensidad de las molestias causadas por el parpadeo. Su evaluación es muy compleja. 

(5) : Las sobretensiones menores a algunos µs son debidas al rayo, mientras que los de algunos ms son debidos a maniobras.

(6) : La componente inversa de la tensión está definida por el método de las componentes simétricas.

Tabla 1: características principales de la tensión MT y BT suministrada por una red pública de distribución

Armónicos impares no múltiplos de 3		Armónicos impares múltiplos de 3		Armónicos pares
Rango de armónico p	Tensión armónica %	Rango de armónico p	Tensión armónica %	Rango de armónico p	Tensión armónica %
5 7 11 13 17 19 23 25	6 5 3,5 3 2 1,5 1,5 1,5	3 9 15 21	5 1,5 0.5 0,5	2 4 6 a 24	2 1 0,5

Tabla 2: Valores máximos de las tensiones armónicas en el punto de entrega de las redes de MT y BT

Figura 1: Niveles de tensión máximos de las señales utilizadas en las redes públicas de MT y BT

ARTÍCULO EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:

http://www.mediafire.com/view/rn2mjjiab1fbb9s/Caracter%C3%ADsticas_de_la_alimentaci%C3%B3n_suministrada_por_las_redes_de_distribuci%C3%B3n_p%C3%BAblica.pdf

Procedimiento general para realizar el estudio de un sistema de protección

En general, los dispositivos de protección en los sistemas de distribución se coordinan adecuadamente al proyectar y construir cada sistema, pero eso no garantiza que se conservará su coordinación a lo largo del tiempo. Con bastante frecuencia ocurre algún cambio o ampliación de la instalación que cambia los conceptos de protección previamente estudiados haciéndolos ineficaces y creando una sensación de falsa seguridad si no se revisan periódicamente. Por consiguiente, para evitar las interrupciones intempestivas del servicio, la revisión frecuente de los tarados de los dispositivos de protección es de suma importancia como lo es el mantenimiento periódico del sistema de distribución.

Los valores adecuados de intensidad a los cuales los dispositivos de protección deben actuar pueden determinarse considerando cuidadosamente las capacidades de los equipos protegidos y la manera en que cada uno de ellos está relacionado con el resto de dispositivos del sistema. El orden deseado de actuación o selectividad es aquel en que el dispositivo de protección más cercano al punto donde ocurre el fallo funciona primero y aísla la sección afectada del resto del sistema, los dispositivos adyacentes en dirección al origen de la intensidad deben servir como protección de reserva y permanecer inactivos.

Generalmente, las curvas características de tiempo en función de la intensidad para los relés, disyuntores y fusibles son de relación inversa a fin de permitir un funcionamiento relativamente largo cuando la intensidad es baja y mayor rapidez de acción a medida que ésta aumenta. La figura 1 muestra las curvas de tiempo en función de la intensidad correspondientes a tres dispositivos diferentes graduados al mismo umbral mínimo de funcionamiento. Con intensidad de 100 A, los tres dispositivos funcionan aproximadamente a 200 segundos; no obstante, a 1000 A, el tiempo de funcionamiento se sitúa entre 0,3 y 3 segundos. Así, cualquiera de los tres puede dar la protección deseada contra sobrecargas hasta 100 A, pero, al presentarse un fallo que eleve la corriente a 1000 A. solo uno de los dispositivos puede ser selectivo con respecto a los otros. Los dispositivos adyacentes selectivos para bajas intensidades pueden no serlo para intensidades elevadas (Figura 2a). La figura 2b muestra dos curvas para dispositivos coordinados en todos los valores de corriente.

Para determinar la mejor combinación de graduaciones de los dispositivos y capacidad de los fusibles, es preciso calcular las características de corriente y funcionamiento de los relés de protección en caso de fallo en la instalación.

Figura 1: Las curvas características de tiempo/intensidad para tres relés son diferentes. Algunos pueden dar protección insuficiente al presentarse valores elevados de corriente. (Estás curvas, y las de las figuras 2 y 3, se trazaron en escalas logarítmicas para mostrar lo amplia que es la zona de tiempo y corriente).

■ Estudio de los sistemas

El procedimiento general de un estudio de coordinación y selección de ajustes para relés de protección de un sistema eléctrico es como sigue:

1º) Recopilación de la información necesaria:

• Diagrama unifilar del sistema
• Datos de placa de los equipos
• Datos de impedancias de equipos
• Condiciones en que funciona el sistema (disyuntores de enlace abiertos o cerrados, orden en que empiezan a funcionar los motores de gran potencia) 
• Potencias de cortocircuito de las fuentes de suministro

2º Cálculo de las corrientes de falta

• Selección de los valores básicos convenientes, kVA, kV.
• Cálculo de los valores equivalentes de impedancia
• Preparación del diagrama de impedancia
• Cálculo de las corrientes de falta en las barras principales.

3º Selección preliminar de los ajustes basados en.

• Protección contra sobrecarga
• Corrientes de falta máxima y mínimas calculadas
• El intervalo de coordinación deseado entre el relé principal y el de reserva correspondiente
• Requisitos de continuidad de servicio

4º Prueba de los ajuste preliminares

• Trazado de curvas con base a una tensión común, tomando la tensión más baja como valor base, trazando en primer lugar la curva del relé más próximo al punto de fallo
• Permitir suficiente intervalo de coordinación
• Trazar la curva correspondiente a los siguientes relés

5º Verificar la curva trazada con los solapes de los relés adyacentes, si los hubiera

6º Modificar los ajustes preliminares si fuese necesario, para evitar solapes

7º revisar los ajustes finales para determinar:

• El funcionamiento selectivo al presentarse la corriente máxima de fallo
• El funcionamiento selectivo al presentarse la corriente mínima de fallo
• La compatibilidad con las capacidades de los transformadores y cables para soportar sobreintensidades de corta duración
• Comprobación de los ajustes de funcionamiento instantáneo en cuanto a compatibilidad con las corrientes de conexión de transformadores y grandes motores

Estos pasos se muestran en el siguiente ejemplo, basado en el diagrama unifilar de la figura 3. Como la magnitud de la corriente producida en una determinada barra del sistema depende de la impedancia total que haya entre la fuente de energía y el punto del fallo, la impedancia de cada componente tiene que calcularse separadamente para después combinarla en serie o en paralelo, según sea el caso, con las impedancias del resto de componentes.

Al determinar la corriente de falta, debe utilizarse el valor real de tensión que existía antes del fallo, sin embargo, para simplificar este ejemplo, se da por sentado que esa tensión es la misma que corresponde a la tensión nominal del sistema.

La operación subsiguiente consiste en escoger los ajustes preliminares de los dispositivos de protección. La selección depende de la capacidad nominal del equipo que vaya a protegerse y del intervalo permisible para la coordinación de cada dispositivo con los adyacentes.

■ Cálculo de impedancias y corrientes de falta

Primero se seleccionan como valores de base 100.000 kVA y 13,8 kV. Después se calcula la impedancia equivalente del sistema del distribuidor de energía:

La potencia de cortocircuito tomada de la figura 3 es 250.000 kVA.

Cálculo de la impedancia equivalente del transformador:

Calculo de la impedancia equivalente del cable de 480 V:

Las tablas dan el valor aproximado de 0,0164 ohmios para la impedancia, en secuencia positiva, por cada 100 metros de cable de 250 mm2 Al. El cable tiene 91,5 metros de longitud.

El total de la impedancia equivalente hasta el punto 1 es:

El total de la impedancia equivalente hasta el punto 2 es:

Cálculo de la corriente de falta hasta el punto 1:

El valor calculado para la corriente simétrica de falta se utiliza para determinar la capacidad nominal de interrupción del elemento de corte. No obstante, el valor máximo de la corriente posible de cortocircuito puede ser mayor que el de la corriente simétrica. Esta corriente máxima de falta, llamada valor simétrico, depende de la relación de la reactancia inductiva y la resistencia efectiva (valor Q). Como esta relación es a menudo difícil de determinar, pueden usarse factores multiplicadores para hallar el valor aproximado de la corriente asimétrica de falta, 1,25 es un factor muy utilizado como multiplicador para sistemas de baja tensión.

Cálculo de la corriente de falta en el punto 2:

El fusible en el primario del transformador de 13,8 kV se elige de acuerdo con las tablas de aplicación del fabricante, que especifican una capacidad nominal de aproximadamente el 250% de la corriente de la plena carga del transformador. Esa corriente es de 42 A y, por tanto, sería satisfactorio un fusible de 100 A.

También se pueden aplicar, para la elección del calibre de los fusibles, los criterios descritos en el artículo de este blog denominado: Criterios de elección de fusibles para protección de Transformadores, disponible en el siguiente link:

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/criterios-de-eleccion-de-fusibles-para.html

La capacidad nominal del interruptor principal para el secundario del transformador debe ser aproximadamente del 125 al 133 % de la corriente nominal del secundario del transformador. Al ser 1.200 A la corriente a plena carga en el secundario, se elige el valor normalizado inmediatamente superior, es decir, 1600 A. La graduación de los relés de éste interruptor se eligen en base a la capacidad de corriente del cable de 250 mm2 y de la carga conectada en el centro de control de motores. Para el umbral del retardo prolongado se eligen 400 A.

La graduación de los interruptores de cada motor se basa en su corriente a plena carga, que es de 63 A. El motor de 50 HP permite corrientes de disparo del 150 % de la corriente a plena carga, de modo que elegiremos 90 A para la corriente de disparo. El resto de interruptores del centro de control son más pequeños, por lo que no será necesario trazar curvas adicionales.

Una vez seleccionadas las graduaciones preliminares, se trazan las curvas de disparo basadas en una tensión común (Figura 4). Después se examinan estas curvas para ver si existen solapes, que indicarían la posibilidad de error en la coordinación de los dispositivos de protección. También se indican en el trazado de las curvas los valores calculados para las corrientes de falta y los de las corrientes de conexión, para determinar si se conserva o no la selectividad en todas las condiciones que pueden presentarse en la instalación.

Después se examinan las curvas para comprobar que los dispositivos están bien coordinados en caso de fallo en varias barras. Por ejemplo, si ocurre un fallo en el punto 2, el interruptor B abrirá y no implicará al interruptor C que continuará dando servicio a las líneas 1, 2 y 3. Las curvas de tiempo en función de la corriente que se han trazado para los dispositivos de protección muestran que quedan satisfechas las condiciones necesarias para la coordinación. No se cruza ninguna curva ni presentan solapes, y la distancia apropiada entre una y otra curva indica que existe una adecuada selectividad.

■ Conclusión

Los dispositivos de protección en un sistema de distribución no permanecen siempre coordinados, porque los cambios y ampliaciones que se realizan a lo largo del tiempo en la instalación afectan a los ajustes. El estudio periódico de las graduaciones es muy importante para evitar interrupciones intempestivas en el servicio eléctrico.

Figura 2:

(a) Dos dispositivos de protección, aunque bien coordinados para valores bajos de intensidad, pueden no ser selectivos para intensidades mayores.

(b) Los dispositivos bien coordinados conservan su relación incluso para las magnitudes de la corriente de falta.

(c) El dispositivo 1 quedaría situado lo más cerca de la falta, y el 2 permanecería cerrado para dar protección de reserva.

Figura 3: Este diagrama simplificado es la base del ejemplo para coordinar los ajustes de los dispositivos de protección

Figura 4:

Curvas de disparo de los relés basadas en ajustes preliminares, trazadas para comprobar si éstas están bien coordinadas. Las curvas características de los interruptores de baja tensión se muestran en forma de bandas de disparo, mientras las de los relés y fusibles se disponen como curvas unilineales.

A.- Interruptor magnetotérmico en caja moldeada, con capacidad de interrupción de 10.000 A.

Capacidad continua: 90 A

Ajuste de disparo instantáneo: 150 % de la de disparo normal.

B.- Interruptor de baja tensión y apertura al aire, con capacidad de interrupción de 25.000 A.

Capacidad de régimen: 400 A.

Retardo prolongado: 100 % para actuar sobre la base de retardo de 20 s.

Retardo corto: 150 % para actuar sobre la base de retardo de 14 ciclos.

C.- Interruptor de baja tensión y apertura al aire con capacidad de interrupción de 50.000 A.

Capacidad de régimen: 1.600 A.

Retardo prolongado: 120 % para actuar sobre la base de retardo de 25 s.

Retardo corto: 250 % para actuar sobre la base de retardo de 14 ciclos.

D.- Fusible con capacidad de interrupción de 300.000 A

Capacidad nominal: 100 A

Curva de fusión en tiempo mínimo.

1.- Corriente asimétrica de falta al presentar un fallo en el punto 1: 24.500 A.

2.- Corriente simétrica de falta, al presentar un fallo en el punto 1: 19.600 A.

3.- Corriente asimétrica de falta al presentar un fallo en el punto 2: 9.523 A.

4.- Corriente simétrica de falta al presentar un fallo en el punto 2: 7.000 A.

5.- Corriente de conexión del transformador.

6.- Corriente de arranque del motor.

ARTÍCULO EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:

http://www.mediafire.com/view/zs38ela50fn019v/Procedimiento_general_para_realizar_el_estudio_de_un_sistema_de_protecci%C3%B3n.pdf

ENLACES CON ARTÍCULOS RELACIONADOS EN ESTE BLOG:

Clasificación de las protecciones de un Transformador según la naturaleza del defecto y sus regulaciones

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/clasificacion-de-las-protecciones-de-un_23.html

Clasificación de las protecciones de un motor de MT según la naturaleza del defecto y sus regulaciones

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/clasificacion-de-las-protecciones-de-un.html

Clasificación de las protecciones de un Generador de MT. según la naturaleza del defecto y sus regulaciones

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/clasificacion-de-las-protecciones-de-un_18.html