El corte de la alimentación eléctrica, aunque sea
pasajero, es hoy en día un handicap importante, tanto para las industrias cuyo
proceso de fabricación no soporta paradas, como para los edificios de gran
altura, cuyos circuitos de seguridad deberían estar siempre operativos.
Así, la conmutación de fuentes normales de
alimentación sobre fuentes de sustitución o de emergencia, ha pasado a ser una
operación cada vez más utilizada en la distribución eléctrica, tanto pública
como privada.
Los dispositivos de conmutación de fuentes se utilizan
para asegurar la continuidad de la alimentación de ciertos receptores
prioritarios, por motivos de seguridad de personas o para mantener un ciclo de
producción. El mecanismo de conmutación actúa o por un fallo en la alimentación
principal, normalmente en servicio, o por una orden voluntaria.
Estos dispositivos se usan especialmente:
·
para la
alimentación:
o
de
ordenadores,
o
de edificios
de gran altura,
o de alumbrado
y sistemas de emergencia y seguridad: balizas de aeropuertos, locales de pública concurrencia, etc.,
o
sistemas
auxiliares esenciales de centrales térmicas,
o cadenas
completas de fabricación cuyo proceso no soporta ninguna parada temporal de
ningún elemento de la cadena (siderurgia, petroquímica, etc.),
·
en la
distribución pública de MT para:
o
conmutación
de líneas y de transformadores AT en centros de transformación,
o
alimentación,
en doble derivación, de centros de transformación MT (U ≤ 50 kV) / BT (U ≤ 1
kV).
Los equipos que se instalan para realizar la aparamenta
de conmutación son muy variados, por ejemplo, en los circuitos de potencia, los
aparatos de maniobra o inversores de redes pueden ser contactores electromagnéticos
o estáticos, interruptores automáticos o interruptores, y esto tanto en baja
como en alta tensión.
El mando de estos aparatos puede ser:
- manual: es la disposición más elemental y económica. Requiere la intervención del operario de la explotación; la duración de paso de la fuente que falla a la fuente de sustitución o de emergencia puede ser muy larga (el operario tiene que desplazarse),
- automático: es el dispositivo más rápido y el más utilizado.
Sin embargo, el esquema de principio puede, en la
mayor parte de los casos, reducirse a la alimentación normal, una alimentación
de sustitución o de seguridad y un juego de barras que es el punto común de las
dos alimentaciones a partir del cual se alimentan los receptores.
Figura 1: Esquema de principio de conmutación
de redes
Tipos
de conmutación
Normalmente se utilizan tres sistemas de conmutación
de fuentes:
- síncrona: duración de transferencia: nula (ejemplo: acoplamiento de generadores),
- con corte: duración de transferencia: 0,2 a 30 s, (ejemplo: función de conmutación normal/emergencia en BT),
- pseudo-síncrona: duración de transferencia: 100 a 300 ms, (ejemplo: reaceleración en marcha de motores asíncronos).
Toda conmutación
debe estar precedida por el cumplimiento satisfactorio de un cierto número de
condiciones, algunas de las cuales obligan a tomar precauciones especiales.
Problemática que presenta la conmutación y precauciones
Para realizar la
instalación de un sistema de conmutación de fuentes que responda adecuadamente
a las exigencias de continuidad de servicio exigidas por el usuario, ya desde
la fase de diseño, hay que estudiar detenidamente ciertos aspectos para tomar precauciones
especiales:
- la presencia de un defecto de red aguas abajo,
- las características de la fuente de sustitución,
- la elaboración de las órdenes de conmutación,
- la ausencia de tensión durante el tiempo de conmutación (caso de una conmutación no síncrona),
- el enclavamiento mecánico de los aparatos de maniobra entre sí, tanto en BT como en AT,
- la resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra (en AT).
1.-
Presencia de un defecto en la red aguas abajo
Cuando un defecto situado aguas abajo del punto
de conmutación ha provocado la apertura de la alimentación normal, se recomienda
no conmutar las fuentes de alimentación. En este caso hay que bloquear el circuito
de mando del dispositivo de conmutación, mediante una orden proveniente del
sistema de protección de la red aguas abajo.
2.-
Características de la fuente de sustitución
La potencia nominal, la potencia de cortocircuito,
las impedancias de las conexiones y el régimen de neutro de la fuente de
sustitución pueden ser muy diferentes de los de la fuente principal. Así por
ejemplo, la fuente principal puede ser un transformador de 800 kVA, 400 V, 50
Hz, Icc = 20 kA y en cambio, la fuente de sustitución puede ser un grupo electrógeno
de 200 kVA, Icc = 1 kA en régimen transitorio.
Por tanto, las protecciones contra los defectos entre
fases y fase-tierra de la red de emergencia pueden, en ciertas condiciones, no
funcionar adecuadamente cuando la red de distribución se alimenta desde la
fuente de sustitución (o de emergencia).
Luego, para encontrar un sistema de protección
compatible con las características eléctricas, los sistemas de explotación y de
mantenimiento de las dos fuentes de alimentación, hay que hacer un estudio muy cuidadoso
de las protecciones. Hay que destacar especialmente dos casos: la «reaceleración
al vuelo» de varios motores y la alimentación de varios transformadores
reductores cargados.
·
red de
distribución con varios motores
Si la potencia de la fuente de sustitución es baja,
después de la conmutación de la fuente principal sobre esta fuente de
sustitución, es necesario limitar la corriente de conexión y de servicio
permanente.
Para esto hay que proceder a:
- una desconexión de parte de las cargas,
- un rearranque escalonado de los motores para volver a conectarlos, si ha habido una interrupción.
Sin estas precauciones y teniendo en cuenta la
menor potencia de la fuente de sustitución, las caídas de tensión serían
prohibitivas y los motores no podrían acelerar (par motor menor que el par
mecánico resistente),
·
conexión de
varios transformadores reductores en la red de distribución aguas abajo
Cuando la conmutación se realiza en AT, hay que
tener en cuenta las corrientes de conexión de los transformadores AT/BT que
suelen ser del orden de 10 a 15 veces su corriente nominal. En efecto, si la
fuente de sustitución es un grupo electrógeno BT, su alternador no puede
proporcionar corrientes tan elevadas a tensión nominal y se comportan como si alimentara
un cortocircuito. Por tanto, la tensión que proporciona durante los primeros instantes
de la conmutación es muy baja, lo que no facilita en modo alguno el rearranque
de los motores. Por esto es preferible desconectar todos los transformadores-reductores
lado AT antes de la conmutación para después irlos conectando escalonadamente.
3.- Elaboración de las órdenes de conmutación
Son los controles de tensión los que originan las
órdenes de conmutación:
- corte de tensión de la alimentación normal (o principal) para mandar, si la fuente de sustitución es un grupo electrógeno, el arranque de su motor,
- presencia de tensión estabilizada en la salida de la fuente de sustitución, para ordenar el paso de la carga a la fuente de sustitución,
- presencia de tensión en la alimentación normal, para volver a la situación normal.
Las
órdenes de conmutación
·
Para el paso
de la fuente principal a la fuente de sustitución
Un corte o una bajada de tensión de la alimentación
principal pueden ser:
o
permanente,
a continuación de:
-
un disparo
de un aparato de protección aguas arriba,
- una sobrecarga importante de la red que provoca una gran bajada de tensión,
- una sobrecarga importante de la red que provoca una gran bajada de tensión,
-
etc.
o
pero también
transitoria, debida a:
- la actuación
de los automatismos de reenganche, rápido o lento, de las líneas aéreas del
distribuidor,
- un
cortocircuito entre fases, eliminado normalmente por los dispositivos de
protección,
-
etc.
Por tanto, la actuación del detector de falta de tensión
de la fuente principal deberá ser generalmente retardada para evitar ordenar la
conmutación de fuentes cuando hay un corte o una bajada de tensión transitoria.
Además, si la fuente de sustitución está constituida
por un grupo electrógeno, cuya orden de arranque se da precisamente cuando no
está la tensión principal, hay que esperar a que se estabilice la tensión de
grupo antes de dar la orden de conmutación (algunos segundos).
·
Para el paso
de la fuente de sustitución a la fuente principal
El retorno de la tensión de la fuente principal puede
estar precedido por intentos de reenvío de tensión a la línea principal,
necesarios para:
- localizar un defecto,
- realizar un bucle de fuentes después de un incidente,
- efectuar ensayos después de una reparación o modificación de la línea principal.
La acción del detector de presencia de retorno de red de la fuente principal tendrá que tener una temporización muy larga (algunas decenas de segundo a varios minutos).
Nota:
a) los dispositivos que permiten pasar de la fuente
principal a la fuente de sustitución, sin retorno automático a la fuente
principal después de la reaparición de la tensión de ésta, suelen llamarse
conmutadores,
b) los dispositivos con retorno automático a la fuente
principal suelen llamarse inversores normal-socorro.
Dificultades
en la detección de la falta de tensión en la alimentación normal
·
mantenimiento
de la tensión en la red de distribución al producirse un corte en la red de alimentación
Al cortarse la alimentación, la tensión en la red
de distribución puede ser mantenida por:
- la tensión residual que «devuelven» los motores asíncronos, en proceso de ralentización durante un tiempo aproximado de 0,3 a 1 s,
- la tensión inducida en los bornes de los motores síncronos en proceso de ralentización,
- la tensión debida a la descarga de los condensadores que pueda haber conectados a esta red.
Al mantenerse la tensión por los motivos citados, no es posible efectuar una conmutación rápida de fuentes, puesto que los dispositivos convencionales simples, como los relés voltimétricos de tensión mínima, no pueden detectar rápida y eficazmente la ausencia de la tensión principal.
- cortes de tensión transitorios en los que no deben actuar los dispositivos de conmutación
Estos cortes los origina la actuación de los automatismos de red, como son los reenganches rápidos o lentos, el cambio o conmutación de transformadores o de líneas AT en los centros de transformación AT, etc.
En las redes BT sucede lo mismo, debido a caídas
de tensión excesivas provocadas por sobreintensidades transitorias (defecto
entre fases o fase-tierra eliminado por las protecciones selectivas de la red,
arranque de grandes motores, etc.).
- elección y cableado de los detectores, con:
o
un solo relé
monofásico
Generalmente, cuando hay un único relé monofásico
de detección, se conecta entre dos fases de la entrada normal. En este caso, puede
producirse un fallo de la otra fase sin que lo «vea» el relé; por tanto, no
habría conmutación y la alimentación de los receptores sería defectuosa.
Para que este sistema sea satisfactorio, no ha de
ser posible que la alimentación trifásica pueda funcionar inadecuadamente con
sólo dos de las fases, de ahí el empleo de protecciones, como interruptores
automáticos tripolares o fusibles con contacto auxiliar de fusión que den una
orden de corte omnipolar.
Si no, para paliar este inconveniente, es necesario
instalar o dos relés conectados entre dos fases diferentes o tres relés
conectados en triángulo. o tres relés monofásicos
Sin embargo, este último montaje (tres relés conectados
en triángulo) puede ser peligroso si los relés tienen su umbral ajustado entre
el 20 y el 30% de la tensión nominal. En efecto, cuando se produce el corte de
una sola fase, los dos relés que tienen un borne conectado a esta fase quedan
en serie y son alimentados por las otras dos fases sanas. La tensión en bornes
de estos dos relés pasa a ser la mitad de su tensión nominal, tensión superior
al valor de ajuste citado (0,2 Un). Por tanto no se da ninguna orden de
conmutación. Por este motivo es preferible utilizar tres relés conectados en
estrella o tres relés conectados en triángulo pero ajustados al 60% de Un, o, mejor
todavía, un relé trifásico de tensión con campo giratorio.
o un único relé voltimétrico trifásico
o un único relé voltimétrico trifásico
Si la red de distribución tiene conectados motores
trifásicos asíncronos, este tipo de relés no permite la detección del fallo de
una fase de alimentación en el juego de barras,puesto que estos motores
proporcionan, precisamente al juego de barras, la tensión de la fase cortada.
Por tanto, es necesario conectar un relé
amperimétrico, trifásico de campo giratorio, en la entrada normal.
- montaje de los detectores
Los relés instantáneos electromagnéticos son normalmente
sensibles a los choques mecánicos que hacen rebotar sus contactos, originando
así la aparición de órdenes de conmutación erróneas. Estos casos se presentan
normalmente en el montaje en puerta, cuya instalación tiene que ser por tanto
muy cuidadosa para evitar todas las vibraciones que podrían ser susceptibles de
perturbar al equipo.
4.-
Corte de tensión durante una conmutación no síncrona
Este corte de tensión, aunque transitorio, es generalmente
suficiente para hacer caer todos los contactores cuyas bobinas se alimenten del
circuito de potencia.
El dispositivo de conmutación automática puede
perder mucha de su eficacia puesto que los receptores mandados por estos contactores,
ahora caídos, ya no están alimentados. Por el contrario, se permite un rearranque
manual escalonado de los motores mediante los pulsadores de «marcha».
Para evitar tener que hacer esta reconexión manual,
es preferible alimentar las bobinas de los contadores o con una fuente auxiliar
segura (batería o grupo giratorio con volante de inercia) o con un relé
temporizado a la reconexión, o incluso, a partir del circuito de potencia, utilizando
un rectificador y un condensador conectados en paralelo con la bobina. En este
caso, la energía necesaria para mantener el contactor en posición cerrado
durante el breve corte de tensión, la suministra el condensador. Pero, para que
el valor de la capacidad del condensador «reserva» no tenga que ser demasiado elevado,
la duración del corte de tensión debe de ser muy breve (algunos centenares de milisegundos)
y el consumo de la bobina, muy bajo.
Con todo, téngase presente que la instalación de
estas soluciones obliga a que la fuente de sustitución pueda soportar el
conjunto de los receptores y, en especial, todos los motores en situación de
«rearranque al vuelo».
Nota: Puesto que al abrir el circuito de mando de
una bobina, aparecen importantes tensiones inducidas en sus bornes, el rectificador
y el condensador deben soportar estas tensiones.
5.-
Enclavamiento mecánico entre los aparatos de maniobra de BT y entre los de AT
En los dispositivos de conmutación síncrona, los
dos aparatos de maniobra (fuente principal y de sustitución) pueden estar simultáneamente
cerrados. Pero, en los otros sistemas de conmutación, debe haber, en todas las instalaciones,
un enclavamiento mecánico de los aparatos entre sí y de sus circuitos eléctricos
para impedir la alimentación simultánea de los circuitos de mando de los dos
aparatos. Se recomienda esta precaución en todas las instalaciones y
normalmente lo exigen las compañías suministradoras.
6.-
Resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra AT
La resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra
de la fuente de reemplazo empleados en los sistemas de conmutación síncrona y pseudosíncrona
deben estar especialmente adaptados. En efecto, durante el tiempo de espera de
las condiciones de acoplamiento, los polos de estos aparatos pueden estar sometidos,
entre la entrada y la salida, a dos veces la tensión simple de la red (tensión
de las dos fases a conectar en oposición de fase).
Continua en: Inversores de redes: Conmutación
síncrona (parte 2ª)
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