Precauciones en la elección y empleo de protecciones eléctricas

El empleo y montaje de los diversos dispositivos de protección obliga a ciertas precauciones.

Este artículo tiene como objetivo dar a conocer, pero también proponer las soluciones prácticas.

Es evidente que, ciertas configuraciones de red y la alimentación de las máquinas, puesto que tienen características particulares, necesitan estudios específicos que no pueden detallarse en este texto.

La elección de un tipo de protección a continuación de un dispositivo se hace después de haber evaluado los riesgos que puede correr el elemento a proteger y las consecuencias que siguen a un eventual defecto.

En principio, para todos los elementos de una red, hay que prever, como mínimo, la protección contra los riesgos de:

• cortocircuito «fase-fase» (protección contra corriente máxima de fase),
• cortocircuito «fase-tierra» (protección contra máxima corriente residual).

Cuando las corrientes de defecto a «tierra» y de fase son del mismo orden de magnitud, una sola protección trifásica cubre los dos tipos de riesgos, aunque sin discriminarlas.

Protección contra máxima corriente de «fase»

Una protección así no puede ser correcta más que si su funcionamiento satisface las inecuaciones:

I umbral de «fase» < Icc mínima

y

I umbral de «fase» > I máxima sin defecto (transitorio de activación o de enganche)

Para esto hace falta efectuar los siguientes controles:

● la condición «umbral de disparo inferior a la Icc mínima» hay que verificarla para el caso de que se produzca el defecto bifásico.

● en una red alimentada por un único transformador, aunque esté normalmente alimentada por varios transformadores en paralelo,

• en una red alimentada por una fuente auxiliar,
• en el extremo de una conexión de una línea de gran longitud;

● la condición «umbral de disparo superior en valor y/o en temporización a las corrientes máximas sin defecto» se ha verificar para:

• el arranque de motores,
• la conexión de transformadores,
• la conexión de baterías de condensadores.

● verificar el incidente de sobreintensidades consecutivas en baja tensión, cortes breves, conmutaciones de red...

Protección contra la máxima corriente de defecto a «tierra»

El umbral, que debe de adaptarse al sistema de puesta a tierra, debe, también, cumplir las dos inecuaciones:

I umbral residual < 0,2 I₀limitada

y

I umbral residual > 1,3 I₀capacitiva generada por tramo protegido.

De donde:

• un margen objetivo de 0,1 à 0, 2 I₀ limitada de cara a proteger como mínimo el 80 % de la longitud de los arrollamientos de las bobinas.
• un margen superior a 1,3 I₀ capacitivo de la conexión protegida para evitar los disparos intempestivos durante un defecto en una u otra sección de la red. En el caso de una instalación (o zona) de seguridad explotada con el neutro aislado de tierra, los ajustes de los dispositivos de protección contra defectos a tierra se calculan a partir de los umbrales de las corrientes capacitivas de la red (I₀ limitada = ΣI₀ capacitiva).

Recuérdese: que para mejorar la continuidad del servicio, ciertas redes poco atendidas, se explotan con el neutro aislado de tierra. En Francia, la legislación obliga al uso de un control permanente del aislamiento -CPI- destinado a advertir de las bajadas de aislamiento y a evitar así un disparo por defecto a tierra.

Protección por imagen térmica y sondas de temperatura

La protección por imagen térmica no debe de contemplarse más que si se pueden producir sobrecargas. Sus constantes de tiempo de calentamiento y de enfriamiento deben de adaptarse a las características del equipo protegido.

Las sondas de temperatura colocadas dentro de los bobinados (normalmente del tipo PT 100, según la norma IEC 60751) son indispensables cuando:

• el ambiente polvoriento es un handicap para la buena ventilación del equipo protegido,
• el funcionamiento de la máquina depende de una ventilación forzada independiente.

En estos dos casos, la falta de ventilación no provoca sobreintensidad, pero puede originar un calentamiento destructor.

Armónicos

Las cargas no lineales son origen de la polución en las redes eléctricas.

Esta polución se caracteriza por una distorsión de la tensión, y por corrientes armónicas que son principalmente perjudiciales para la resistencia térmica de las máquinas rotativas y de los transformadores.

Esta presencia de armónicos puede tratarse desde tres frentes:

● sea con la instalación de filtros cuyas características y lugar de colocación se determinan por un estudio sobre los armónicos.

● sea con protecciones que tengan en cuenta la corriente eficaz resultante de la suma cuadrática de los armónicos de orden impar (RMS: Root Mean Square).

● sea, si las protecciones no tienen en cuenta la corriente eficaz, por haber rebajado los equipos para no hacerlos actuar hasta 0,8 ó 0,9 veces la potencia nominal. El margen de sus protecciones de sobrecarga queda rebajado otro tanto si no setiene en cuenta la fundamental.

Precauciones relativas a los captadores

Número

El número de captadores necesarios para detectar los defectos polifásicos ha evolucionado con la tecnología.

Las protecciones electromagnéticas necesitan tres captadores para distinguir el conductor de fase defectuoso; con la tecnología digital bastan dos captadores (el valor de corriente del tercer captador se calcula). Pero atención, para un buen funcionamiento del plan de protección es indispensable que en toda la red los dos captadores estén colocados en los dos mismos conductores de fase.

Repaso: hay tres maneras de marcar los conductores:

• por números = 1, 2 y 3,
• por letras = A, B y C, o R, S y T.

Transformadores de intensidad –TI

Deben de estar pensados para conseguir un buen funcionamiento de la protección y no producir una señal deformada que sería vista por la protección como un defecto, provocando, por tanto, un disparo intempestivo.

Así :

•  su potencia debe de estar adaptada al dispositivo de protección y al cableado;
• su calibre nominal debe de ser mayor o igual a la intensidad a controlar;
• su linealidad debe de verificarse en el conjunto para la variación de corriente útil (una saturación por tales corrientes puede desequilibrar las señales de los secundarios);
• su precisión debe de ser coherente con la de la medida (margen).

Decir también que el montaje de Nicholson (figura 1), para medir una corriente residual de bajo valor, obliga frecuentemente a un emparejamiento de los TI. Además, el error absoluto en la medida impide usar pequeños márgenes de corriente residual. En cambio, los captadores sin hierro o amagnéticos, llamados de ROGOWSKI (ver post: Captadores de corriente tipo Rogowski en el siguiente link: https://imseingenieria.blogspot.com/2020/01/captadores-de-corriente-tipo-rogowski.html ), eliminan un gran número de estos importantes inconvenientes por el hecho de su linealidad y dinámica.

Figura 1: Montaje de Nicholson

Toroides homopolares

La utilización de protecciones de «tierra» sensibles es particularmente útil para limitar los fallos en los equipos porque permite impedancias de limitación más altas. La detección de corrientes residuales débiles se hace preferentemente con un captador toroidal que abarque las tres fases.

Téngase presente que la instalación de estos captadores requiere algunas precauciones:

• la trenza de la conexión a tierra de la armadura del cable debe de pasar por el exterior del toroide o volver a pasarse por el interior (figura 2);
• hay que comprobar el aislamiento entre conductores activos y el toroide; frecuentemente es la envolvente de los cables la que lo proporciona;
• para evitar un funcionamiento defectuoso, es conveniente agrupar y centrar los conductores en el toroide.

Figura 2: Montajes de un toroide sobre un cable de alta tensión.

Transformadores de tensión

Para evitar el deterioro debido a la ferrorresonancia (sobretensión), los transformadores de tensión –TT- deben de estar cargados con un valor próximo a su potencia nominal.

Precauciones relativas a la red

Red con varios puntos neutro puestos a tierra

Una red que tenga varios puntos «neutro» es un nido de corrientes armónicas de tercer grado y de sus múltiplos, que circularán entre estos puntos. Para evitar el tener que desensibilizar las protecciones de defecto a tierra, es lógico escogerlas dotadas de filtros para el 3er armónico.

Redes con alternadores y motores

Durante los períodos de funcionamiento con grupo, si una parte importante de la potencia es absorbida por motores, los dispositivos de protección deben de funcionar suficientemente deprisa como para evitar el hundimiento de la red (conservación de la estabilidad dinámica).

Sobretensiones

La distribución por cable genera, en el momento de defectos a tierra, una corriente capacitiva que puede crear otros disparos por simpatía, y sobretensiones por resonancia (figura 3).

Figura 3: Niveles de sobretensiones por resonancia que pueden generarse, en el

momento de un defecto a tierra, por la corriente capacitiva

de las distribuciones por cables.

Para minimizar estas sobretensiones, el mejor medio es que la conexión a tierra del neutro se haga por una resistencia. Esta solución se aplica normalmente en redes industriales.

La norma que generalmente hay que respetar es:

I₀R  ≥ 2 I₀C

siendo:

I₀R = corriente residual debida a la conexión a tierra,

I₀C = corriente residual capacitiva inherente a la red.

Durante la modificación de una red

Desde el punto de vista de las protecciones, durante la modificación de una red, hay dos verificaciones útiles:

• el régimen de neutro y las protecciones existentes, ¿son compatibles con las nuevas corrientes capacitivas?
• las protecciones de las fases y los transformadores de corriente ya colocados ¿se adaptan bien a las nuevas corrientes nominales y a las de cortocircuito?

FUENTE:

Schneider Electric: Protección de redes de AT industriales y terciarias (André Sastre)