domingo, 26 de enero de 2020

Coordinación entre fusibles




Para realizar la coordinación de protección por medio de fusibles no basta que el fusible "aguas abajo" sea de menor intensidad que el fusible de "aguas arriba" ni que la característica  I-t del primer fusible esté por encima del segundo fusible.



Figura 1

Para que coordinen dos fusibles es condición indispensable que la energía de fusión (I2t)* del fusible "aguas arriba" sea mayor que la energía total de interrupción del fusible "aguas abajo", figuras 1 - 4. Estos datos deben ser facilitados por el fabricante del tipo de fusible a usar.

I2t es la energía que necesita un fusible para que funda el elemento fusible (energía de fusión o específica) o la energía necesaria para mantener el arco eléctrico después de la fusión hasta la extinción del mismo (energía de arco). En la figura 2 se indica cada concepto.



Figura 2

En esta figura 2, las intensidades y tiempos se representan por puntos y las energías (I2t) por áreas.

Para un fusible, la energía de fusión es constante, cualquiera que sea el nivel de cortocircuito.

Hay que tener en cuenta que los datos varían de un fabricante a otro, pudiendo ocurrir que dos fusibles de una misma marca que tengan una buena coordinación, si cambiamos uno de ellos por otro de distinto fabricante no coordine aunque sea de la misma intensidad nominal.

Cuando los fusibles están separados por un transformador, existen los fusibles de alta tensión situados en el primario y los de baja tensión en el secundario, la regla indicada al principio no es válida, ya que la intensidad primaria no es igual a la secundaria. Figura 3.



La condición, en este caso, es que la energía de fusión del fusible de A.T. sea mayor que la energía total del fusible de B.T. dividida entre la relación de transformación elevada al cuadrado.

Relación de transformación: r = UA/UB

Esta condición se expresa por la expresión:




Figura 4



(*) ver post: “Definición de la Integral de Joule o energía especifica en fusibles” en el siguiente link:



POST RELACIONADOS:

Criterios de elección de fusibles para protección de Transformadores
Protección de motores con fusibles
Aparamenta de Baja Tensión: Fusibles












miércoles, 22 de enero de 2020

Captadores de corriente tipo Rogowski




La bobina Rogowski es un dispositivo eléctrico utilizado para medir corriente alterna (CA), así como transitorios de alta velocidad y corrientes pulsadas o corrientes sinusoidales de alta frecuencia, recibe su nombre del físico alemán Walter Rogowski.

En su forma más simple, una bobina de Rogowski es una bobina devanada de forma uniforme de N vueltas por metro en un núcleo no magnético de área transversal constante Am2. El hilo del bobinado regresa al punto de partida a lo largo del eje central del primero y los dos extremos se conectan normalmente a un cable. El extremo libre de la bobina normalmente se inserta en un zócalo adyacente a la conexión del cable de manera que permite desenchufarlo, lo que permite que la bobina se enrolle alrededor del conductor que transporta la corriente a medir.

¿Cómo funciona?

Una corriente alterna o pulsada en un conductor desarrolla un campo magnético y la interacción de este campo magnético y la bobina de Rogowski local al campo da lugar a un voltaje inducido dentro de la bobina que es proporcional a la tasa de cambio de la corriente que se mide. Siempre que la bobina constituya un circuito cerrado sin discontinuidades, se puede demostrar que el voltaje E inducido en la bobina es proporcional a la tasa de cambio de la corriente encerrada I de acuerdo con la relación E = μ0NA di/dt = H di/dt, donde H  es la sensibilidad de la bobina en (Vs / A) proporcional a NA .



Principio de funcionamiento del transformador de corriente tipo Rogowski


Para obtener un voltaje de salida VOUT proporcional a I es necesario integrar el voltaje de la bobina E; por lo tanto, se utiliza un integrador electrónico para proporcionar un ancho de banda que se extiende por debajo de 1 Hz.

El integrador del amplificador operacional, en su forma más simple, consta de una resistencia de entrada R0 y un condensador de retroalimentación C1 con una salida Vout = (1 / C1R0) ∫ Edt = Rsh · I. Por lo tanto, la ganancia general del transductor viene dada por Vout = Rsh· I, donde Rsh = H/ C1R0; siendo H (V/A) la sensibilidad del transductor.
  
La relación Vout proporcional a I es válida en todo el ancho de banda del transductor. El ancho de banda se define como el rango de frecuencias de fL a fH para el cual las corrientes sinusoidales se pueden medir dentro de 3 dB de la sensibilidad especificada Rsh.

A bajas frecuencias, la ganancia del integrador aumenta y, en teoría, se volverá infinita a medida que la frecuencia se acerque a cero. Esto daría como resultado una deriva de CC inaceptable y ruido de baja frecuencia; por lo tanto, la ganancia del integrador debe limitarse a bajas frecuencias. Esta limitación se logra colocando un filtro de paso bajo en paralelo con el condensador integrador. El filtro de paso bajo establece el ancho de banda de baja frecuencia fL, típicamente esto es inferior a 1 Hz.


Respuesta de frecuencia de la bobina Rogowski con el integrador

Además, debido a la inductancia distribuida y la capacitancia de la bobina Rogowski, hay un ancho de banda de alta frecuencia fH (generalmente 1 MHz o mayor) por encima del cual la medición se atenúa y se produce un retraso de fase significativo. El ancho de banda del integrador electrónico y la longitud del cable que conecta el integrador a la bobina también influyen en este límite.



Sonda flexible de corriente LFR (PEM Power Electronic Measurements)


El uso de una bobina Rogowski para medir CA o corrientes transitorias rápidas tiene muchas ventajas sobre otros métodos de medición de corriente:

  • Fácil de ajustar, el sensor de bobina Rogowski con clip es delgado, liviano, flexible y robusto.
  • El tamaño de la bobina no depende de la magnitud de la corriente a medir.
  • Bobinas lo suficientemente pequeñas como para caber entre las patas de un semiconductor TO-220;
  • Bobinas de 20 m para colocar alrededor de una turbina eólica.
  •  No intrusivo (presenta el equivalente de solo unos pocos pH al circuito bajo prueba)
  • Dispositivos de ancho de banda amplio con respuesta de frecuencia predecible, ideal para medir la calidad de la energía o monitorear formas de onda complejas.
  • Intrínsecamente seguro: no hay peligro de un circuito abierto secundario.
  • Aislamiento galvánico
  • Excelente linealidad (las bobinas de Rogowski no tienen materiales magnéticos saturables)
  • Capaz de soportar grandes corrientes de sobrecarga sin daños
  • Inmune a las corrientes de CC: como resultado, puede medir pequeñas corrientes de CA en presencia de una gran componente de CC.



FUENTE:

Power Electronic Measurements (PEM)



POSTS RELACIONADOS:

Los diversos tipos de captadores de corriente
El efecto Hall y sus aplicaciones






















lunes, 20 de enero de 2020

Utilidad de la «capacidad de ruptura en servicio» (lcs) en interruptores automáticos de BT




Para definir el interruptor automático que hay que instalar en un punto de una instalación eléctrica de BT, es preciso conocer los dos parámetros siguientes:

·         la corriente a transportar IB,
·         el valor de la corriente de cortocircuito trifásico (Icc prevista) en ese punto de la instalación.

La elección del interruptor automático se realiza, como siempre, comparando su intensidad de regulación Ir con IB, y su poder de corte Icu con Icc prevista (figura 1). Estas dos comparaciones
o reglas básicas se describen en la norma de instalación UNE 20 460 y permanecen sin cambio.



Figura 1: Parámetros que sirven de base para elegir  un interruptor automático
de protección de una salida.

Utilidad de la «capacidad de ruptura en servicio» lcs

La norma CEl 60947-2 “Low-voltage switchgear and controlgear - Part 2: Circuit-breakers” ha definido la nueva característica lcs, capacidad de ruptura en servicio, como la aptitud de un aparato para asegurar un servicio completamente normal, después de cortar un cortocircuito de valor «probable».

Aunque no había todavía ninguna regla en las normas de instalación (UNE 20 460, CEl 364 o NF C 15-100) que correspondiera a la utilización de la característica lcs, es importante y prudente, en beneficio de una óptima continuidad del servicio, elegir un aparato cuya característica lcs sea tal que: Ics ≥ Ics probable.

a) Interruptores automáticos instalados cerca de una fuente de energía:

Nos referimos a los aparatos instalados en la cabecera o acometida general, en acoplamiento de cuadros o a la salida del «cuadro general de BT», que, debido a su proximidad con los transformadores, deben de asegurar la protección contra defectos con muy poca impedancia.

Así sucede que los defectos monofásicos fase/neutro o fase/CP son del mismo orden de magnitud que los lcc trifásicos, debido a que son muy bajas:

·         las impedancias homopolares de las fuentes,
·         las resistencias de conexión,
·         la impedancia de conexión entre la fuente y el aparato de protección.

En estas condiciones las corrientes de cortocircuito probables están próximas al valor teórico lcc previsto (ver el ejemplo de cálculo del anexo).

Por tanto, es importante escoger los aparatos cuya característica lcs esté próxima o iguale a Icu.

b) Interruptores automáticos de calibre menor utilizados lejos de las fuentes de energía:

Estos aparatos, instalados generalmente en los cuadros de distribución, protegen los cables de unión entre cuadros o entre cuadros y receptores.

En este caso, los cortocircuitos probables se ven muy atenuados ya que, de producirse, son casi siempre monofásicos o bifásicos y situados al final de cables protegidos.

Puede estimarse que su valor llegará, como máximo, al 80% de la Icc bifásica calculada en el inicio de la canalización.

Los cálculos demuestran que la corriente de cortocircuito probable es, en la mayor parte de los casos, inferior al 50% de la Icc prevista (anexo). 

Sin que ésta sea una regla de instalación desde el punto de vista estricto de las normas, utilizar en este caso interruptores automáticos cuya Ics sea ≥ 50% es una norma de precaución para la longevidad de la instalación.


Anexo: Ejemplos de cálculo de Icc probables


1.- Aguas abajo de interruptor automático instalado en un Cuadro General de Baja Tensión -CGBT- (figura 2).


Figura 2



2.- Aguas abajo de interruptor automático instalado en un cuadro intermedio de distribución (figura 3).


Figura 3   





FUENTE:

Schneider Electric: Evolución de los interruptores automáticos de BT con la norma CEI 60947-2 (Etienne Blanc).



POSTS RELACIONADOS:

Definiciones: Poder de corte, Poder de cierre y Poder de limitación de un interruptor magnético.
Interruptores automáticos limitadores de corrientes de cortocircuito





















sábado, 18 de enero de 2020

Seguridad de funcionamiento en cuadros eléctricos de Baja Tensión ( y Parte 2ª)




Este post es continuación de: “Seguridad de funcionamiento en cuadros eléctricos de Baja Tensión (Parte 1ª)”



La seguridad y las conexiones

Puesto que un cuadro eléctrico tiene un gran número de conexiones es importante interesarse en los fallos que pueden provocar.

Se tiene un fallo de conexión cuando ésta no transporta la energía eléctrica para la que ha sido dimensionada. En este caso, se produce un calentamiento local que puede provocar la destrucción del aparato y/o de los cables.

La importancia de controlar bien los problemas de las conexiones se ilustra en la figura 7.

La mayor parte de las causas de no disponibilidad se debe a diversos fallos (acometidas, aparamenta...). La parte debida a las conexiones no es despreciable.

Conviene distinguir las conexiones realizadas en fábrica de las realizadas «in situ»; estas últimas, estadísticamente, son las que más fallan.

De la práctica se deduce que la seguridad puede ser notablemente mejorada por:

     superficies de contacto bien dimensionadas (recubrimiento),
     estado cuidadoso de estas superficies (planas, limpias),
     un par de apriete adaptado a los materiales.



Figura 7: Las no-disponibilidades debidas a las conexiones representan una parte no despreciable de las causas de no disponibilidad del sistema.


La seguridad y los arcos eléctricos

         No-disponibilidad debida a los arcos

En los cuadros, los arcos eléctricos pueden deberse a causas muy diversas, por              ejemplo, la intrusión de pequeños animales (ratas y hasta reptiles), la presencia de objetos olvidados en los trabajos de mantenimiento, la degradación de los materiales por el calor, o incluso, los depósitos de polvo conductor.

Los daños debidos a los arcos son a menudo importantes. Suponen un tiempo de parada que puede alcanzar algunos centenares de horas para un cuadro «ordinario». En tanto que, para un cuadro «mejorado», este valor se hace despreciable, puesto que estas paradas quedan limitadas solamente al tiempo de reordenación de la distribución (apriete de los cables, limpieza de las superficies carbonizadas...) o sea, aproximadamente una hora. Para evitar esta no-disponibilidad, conviene actuar sobre los tres puntos siguientes:

     riesgos de aparición de los arcos,
     duración del arco,
     propagación de los arcos eléctricos dentro del cuadro.

Aparte de que estas acciones llevan a reducir el tiempo de reparación, tienden, también a disminuir la importancia de los desperfectos debidos a los arcos.

         Evitar la aparición de los arcos eléctricos

Más vale prevenir que curar, y por tanto, actuar sobre las causas de la aparición de los               arcos eléctricos, así:

     los cebados de arcos por perforaciones dieléctricas no se producen, si:

– se eligen bien los materiales,
– se respetan las líneas de fuga y las distancias de aislamiento.

    la penetración de objetos o cuerpos extraños, incluido polvo conductor y la entrada de pequeños animales son el origen de numerosos arcos eléctricos en los armarios BT. Para evitarlos, las envolventes deben de estar pensadas:

– estudio de la forma,
– elección del IP,
– colocación de filtros...

     después de la ruptura (caso de un cortocircuito o de una sobrecarga) salen a presión del aparato de protección gases ionizados. Estos gases pueden provocar un cebado, por ejemplo en un juego de barras que se halle en su proximidad. Este riesgo se evita con una estructura bien pensada y/o con pantallas juiciosamente dispuestas,

     una conexión defectuosa puede provocar la aparición un arco. Para evitarlo, las conexiones deben estar adecuadamente apretadas (ver § «la seguridad y las conexiones»).

         Limitar la duración del arco

Conviene reducir al máximo el tiempo de arco para limitar los daños que ocasiona. A tal efecto se pueden tener en cuenta diversas soluciones:

    regular al mínimo el ajuste de «retardo» en los interruptores automáticos (protección contra los cortocircuitos), pero manteniendo la selectividad. Estos tiempos denominados de «corto-retardo», destinados a conseguir una selectividad cronométrica, retardan la desconexión de los interruptores automáticos en caso de cortocircuito y con ello alargan la duración del arco.

Hay que destacar que, cuando puede emplearse la selectividad lógica, constituye la    mejor solución, por cuanto permite una selectividad absoluta con retardos mínimos,            cualquiera que sea el nivel de la distribución.

    emplear aparatos limitadores Estos aparatos cortan muy rápidamente las corrientes de cortocircuito, limitando así la corriente de defecto. Esto tiene el efecto de reducir la duración del arco y con ello limitar los efectos térmicos. Ver post: Interruptores automáticos limitadores de corrientes de cortocircuito, en el siguiente link:

     Escoger una protección con un tiempo «de caída» importante (y un aparato que guarde en memoria los defectos transitorios). El arco tiene la particularidad de ser un defecto transitorio por dos razones:

– por una parte, un arco puede apagarse rápidamente por la disposición de los elementos en el cuadro. Pero los gases ionizados que se generan pueden provocar recebados en otras partes con tensión. Se pueden producir muchas secuencias de extinción y de recebado,

– por otra parte, su impedancia varía en función de su velocidad de desplazamiento y de los obstáculos que encuentra.

Sin embargo, cada vez que aparece, todo el equipamiento sufre diferentes esfuerzos que, además, suelen sumarse.

La respuesta a este problema se halla en los sistemas de protección que integran el defecto en el tiempo: cuando aparece un defecto y después desaparece (o pasa por debajo del umbral antes de la desconexión del aparato de protección) esta «información», en tiempo y en intensidad, debe conservarse a nivel de la protección para provocar una desconexión si el defecto se repite, o si se presentan breves sobrecorrientes. Así, un interruptor automático BT puede guardar en su memoria el cortocircuito y no «reinicializarse» más que progresivamente (figura 8).



Figura 8: Un interruptor Masterpact de tipo «abierto» (Schneider Electric)
dotado de una unidad de control STR 68 mantiene temporalmente
en memoria los cortocircuitos.

         Impedir la propagación en el cuadro

Las leyes de la física hacen que el arco se aleje de su origen y se desplace rápidamente.

Al objeto de reducir las consecuencias para la explotación, el arco no debe extenderse a todo el cuadro. Conviene controlar el arco durante toda su duración:

     tabicando completamente las diferentes zonas del cuadro; los tabiques y travesaños aislantes evitan que el arco, por sí mismo o por sus gases ionizados, se propague, o creando trampas de arco que hagan posible su extinción, tales como:

– envolver el juego de barras con materiales aislantes,
– geometrías del JdB que alarguen el arco.

La seguridad y las «opciones» del cuadro

La forma de acceder a las conexiones (por delante, o por detrás), el modo de instalación de los aparatos (fijo o seccionable) y el grado de protección son otras tantas de las opciones posibles en la realización y/o la compra de un cuadro BT.

Todas estas posibilidades de elección son importantes para la disponibilidad de la energía en una salida determinada.

Si comparamos la forma 1 «aberturas no tapadas» con una forma 2 «aberturas de acceso de los cables tapados» de la figura 9.


Figura 9: Las «formas» definidas por las normas CEI
60 439 y EN 60 439 definen la delimitación de las
zonas dentro de un cuadro

La expresión abreviada «aberturas de acceso de los cables tapados» significa que el usuario ha tenido el cuidado de hacer pasar los cables a través de un fondo de chapa provisto de pasa-cables.

Nota: esta disposición se considera en el empleo de una forma al menos igual a la forma 2.

Con este ejemplo es fácil comprender que una elección juiciosa de la forma mejora la disponibilidad, pues afecta a:

– la probabilidad de aparición de defectos (hace imposible la entrada de roedores),
– la propagación de un arco (presencia de una barrera).

Para una buena disponibilidad es por tanto interesante prever un cierre de los cuadros BT (forma 3 figura 9) y aún más a nivel de las conexiones de los cables exteriores (forma 4 figura 9) por cuanto, como se ha visto antes, éstas son el origen de la mayor parte de los fallos (ver § «la seguridad y las conexiones»).

         Conexiones por delante o por detrás

El lugar reservado al equipamiento eléctrico, durante el diseño de los locales, condiciona muy a menudo el tipo de conexiones a realizar en el cuadro. Esta exigencia influye sobre la disponibilidad.

Un cuadro con las conexiones por delante es, a menudo, de difícil acceso, lo que provoca tiempos de reparación importantes comparados con la doble accesibilidad obtenida con una conexión por detrás (figura 10).


Figura 10: Un buen compromiso entre la mantenibilidad y la superficie ocupada puede conseguirse con un cuadro con el conexionado por la parte delantera y con un pequeño pasillo de servicio por la parte posterior

Hay que destacar que la no-disponibilidad de un cuadro que tiene las conexiones por delante es todavía más importante si los aparatos se han montado «fijos» y se necesitan herramientas para desmontarlos.

Para mejorar la facilidad de mantenimiento de un cuadro con conexiones por delante, previsto para quedar adosado a una pared, conviene prever un estrecho pasillo técnico
por detrás.

         Fijo o seccionable

La disponibilidad puede mejorarse con la elección de un aparato seccionable. A parte del hecho de que su mantenimiento es más rápido, es necesario también considerar que no tiene influencia alguna en las salidas próximas.

En efecto, el seccionamiento se hace sin carga (circuito abierto), pero con tensión, con lo que no es necesario cortar aguas arriba e interrumpir así la alimentación de otras salidas en paralelo.
Sin embargo, la opción «seccionable» puede no presentar ventajas cuando los cortes son frecuentes (fuentes poco fiables, cables de alimentación únicos y con riesgos...), o cuando, debido a un mantenimiento muy fácil, no se influye en las otras salidas.

Por el contrario, en el caso de un cuadro con conexiones por delante de la forma 2 figura 9, el interés de utilizar interruptores automáticos «seccionables» es evidente.

         Grado de protección (figura 11)

Sólo se consideran en este párrafo las dos primeras cifras características del IP (penetración de cuerpos sólidos y de líquidos).

La primera cifra indica el tamaño máximo de los objetos o de las partículas susceptibles de penetrar en el cuadro y limita con ello el tamaño de acceso a las partes con tensión.

Esta cifra (del 1 al 6) es tanto más alta cuanto más pequeño es el tamaño.

La segunda cifra se refiere a los líquidos e indica el nivel de estanqueidad obtenido por:

    tejadillos, casquetes, o pasos en zig-zag contra las proyecciones verticales u horizontales de líquidos,

   juntas y dispositivos apropiados que permiten conseguir una estanqueidad total para que las envolventes puedan estar sumergidas.

                


En conclusión, cuanto mayores sean las dos primeras cifras características del IP, mejor será la protección.

Sin embargo, todos los aparatos eléctricos se calientan y la mayor parte tienen un límite térmico.
Por tanto una estanqueidad excesiva se opone a una buena ventilación del cuadro, por lo que puede ser nefasta para el buen funcionamiento de su aparamenta.

Esto es así, a menos que se prevea la evacuación de las calorías y/o se haga una buena elección de los aparatos.

El entorno, más o menos exigente, y las cualidades de los componentes del cuadro fijan la elección del grado de protección. Los niveles de protección requeridos, según el tipo de locales, se recogen en la figura 12.


Figura 12: Ejemplos de grados de protección mínimos 
(según NF C 15-100 y la guía práctica UTE C 15-103).


La seguridad y la salida a motor en rack extraible-seccionable

En las industrias de procesos se utilizan numerosos cuadros MCC, denominados «de racks seccionables» (figura 13).

Normalmente, en los casos de mando de motores se exige una buena continuidad de la explotación. El rack extraíble es la solución porque permite un mantenimiento fácil y rápido: una salida defectuosa se reemplaza inmediatamente por un equipo idéntico, manteniendo el cuadro con tensión.


Figura 13: Vista de detalle de un cuadro BT del tipo
MCC con racks extraíbles (modelo MB400 – Schneider Electric).

Un rack que alimenta un motor puede estar constituido por un conjunto fusible-contactor-relé térmico, o por un conjunto interruptor automático-contactor-relé térmico.

En cuanto a la disponibilidad, estas dos configuraciones son prácticamente iguales en funcionamiento normal, pero difieren mucho en caso de fallo del contactor.

En efecto, cerca del 20% de los fallos de las salidas se deben a los contactores (los contactos quedan pegados) y con el inconveniente añadido de la extracción de un cajón con el contactor defectuoso. Es entonces necesario abrir el circuito de potencia; lo que es fácilmente posible con una asociación interruptor automático-contactor, pues basta con abrir el interruptor automático.

En el otro caso (asociación fusibles-contactor) es necesario cortar la tensión al nivel de interruptor general..., y todas las otras salidas de motor quedan entonces cortadas.

La seguridad y los auxiliares de control y mando

Los fallos de los elementos auxiliares son los de los relés, las conexiones o su alimentación.

La instalación del cableado, hilo a hilo, de estos elementos auxiliares es larga y está sometida a los errores de los montadores, lo que puede originar cualquier tipo de fallo.

La solución pasa por implementar las tarjetas o módulos de control-mando unidas con cable-cinta de conexión o con conexiones digitales normalizadas. Estos elementos centralizan las informaciones y permiten realizar distintos esquemas de mando.

Las modificaciones de estos esquemas se efectúan, simplemente, configurando estas tarjetas o por la asociación de nuevos módulos.

Con esto se consiguen muchas ventajas:

·         ganancia de tiempo de instalación,
·         mejor fiabilidad, suprimiendo los errores de cableado,
·         tiempo de reparación limitado al tiempo de cambio de una tarjeta o módulo,
·         fácil evolución del sistema.




FUENTE:

Scneider Electric: Garantía de funcionamiento y cuadros eléctricos BT. (Philippe Romanet-Perroux)