El disyuntor es un aparato que lleva a cabo la maniobra y la protección de una red. Puede establecer, soportar e interrumpir las corrientes de servicio, así como las corrientes de cortocircuito.
1.- Las diferentes funciones del disyuntor
1.1.- Soportar las solicitaciones eléctricas de la red
Esta función es esencial para el disyuntor al estar permanentemente en tensión. Durante su vida útil, el aparato (cierra y abre) debe soportar una tensión entre fases y entre fases y masa (chasis–mando).
El nivel de aislamiento asegura la resistencia dieléctrica de los materiales a las sobretensiones de origen interno y a las ondas de choque tipo rayo.
Las sobretensiones de origen interno aparecen durante cualquier maniobra en un circuito: apertura o cierre de un circuito, ruptura o contorneamiento de un aislante,…
Estos fenómenos son simulados en laboratorio por la rigidez dieléctrica a frecuencia industrial durante un minuto.
Las sobretensiones de origen externo o atmosférico se producen cuando el rayo cae sobre una línea o en sus proximidades.
La ondas de tensión que resultan son simuladas en laboratorio por medio de ondas de choque tipo rayo.
1.2.- Establecer una corriente
El disyuntor puede:
• Establecer la corriente de una carga (motor, transformador, condensador,…).
• Cerrar sobre corriente de cortocircuito
• Cerrar una línea en vacío.
1.3.- Conducir la corriente
El circuito principal debe soportar sin problemas la corriente de servicio, la corriente térmica y la electrodinámica.
El circuito principal debe soportar sin daños:
• La corriente térmica = corriente de cortocircuito durante 1 ó 3 segundos
• La corriente electrodinámica
o 2,5 Icc (CEI) para 50 Hz
o 2,6 Icc para 60 Hz.
o 2,7 Icc (ANSI), para constantes de tiempo particulares (CEI)
• La corriente permanente de carga.
Puesto que la mayor parte del tiempo un disyuntor se encuentra en posición "cerrado", la corriente de carga debe circular sin aceleración térmica durante toda la vida útil del aparato.
Los calentamientos dependen de los cambios térmicos del aire ambiente.
Las normas definen los límites máximos de calentamiento.
El circuito principal debe soportar estas corrientes después de numerosas maniobras.
1.4.- Cortar la corriente
El disyuntor debe cortar las corrientes de carga y las de cortocircuito.
2.- Características del disyuntor
La CEI 60 056 y la ANSI C37-06 definen por un lado las condiciones de servicio, las características asignadas, el diseño y la construcción; y por otro los ensayos, la selección de los controles y la instalación.
2.1.- Características asignadas obligatorias
Las características obligatorias para todos los disyuntores son:
• Tensión asignada
• Nivel de aislamiento asignado
• Corriente asignada en servicio continuo
• Corriente de corta duración admisible asignada
• Valor de cresta de la intensidad admisible asignada
• Duración del cortocircuito asignado
• Tensión asignada de alimentación de los dispositivos de cierre y apertura y de los circuitos auxiliares
• Frecuencia asignada
• Poder de corte asignado en cortocircuito
• Tensión transitoria de restablecimiento asignada
• Poder de cierre asignado en cortocircuito
• Secuencia de maniobra asignada
• Duraciones asignadas.
2.2.-Características asignadas particulares
Estas características no son obligatorias pero pueden ser requeridas para aplicaciones específicas:
• poder de corte asignado en discordancia de fases
• poder de corte asignado de los cables en vacío
• poder de corte asignado de las líneas en vacío
• poder de corte asignado de batería única de los condensadores
• poder de corte asignado de las baterías de condensadores en escalones
• poder de cierre asignado de las baterías de condensadores
• poder de corte asignado de bajas corrientes inductivas.
3.- Características de los disyuntores según CEI 60 056
3.1.- Tensión asignada (ver § 4.1 CEI 60 694)
La tensión asignada es el valor eficaz máximo de la tensión que el material puede soportar en servicio normal. Siempre es superior a la tensión de servicio.
• Valores normalizados para Ur (kV): 3,6 - 7,2 -12 - 17,5 - 24 - 36 kV.
3.2.-.- Nivel de aislamiento asignado (ver § 4.2 CEI 60 056 y 60 694)
• El nivel de aislamiento se caracteriza por dos valores:
o la resistencia a la onda de choque (1,2/50 µs)
o la resistencia a la frecuencia industrial durante un minuto.
3.3- Corriente asignada en servicio continuo (ver § 4.4 CEI 60 694)
Puesto que un disyuntor siempre está cerrado, la corriente de carga debe circular respetando un valor máximo de temperatura en función de los materiales y del tipo de enlaces.
La CEI establece el calentamiento máximo admisible de los distintos materiales utilizados para una temperatura ambiente que no supere los 40ºC (ver § 4.4.2 tabla 3 CEI 60 694).
3.4.- Intensidad de corta duración admisible (ver § 4.5 CEI 60 694)
Scc : potencia de cortocircuito (en MVA)
US : tensión de servicio (en kV)
Icc : intensidad de cortocircuito (en kA)
Es el valor normalizado eficaz de la intensidad de cortocircuito máxima admisible en una red durante 1 o 3 segundos.
Valores del poder de corte asignado en cortocircuito máximo (kA): 6,3 - 8 - 10 - 12,5 - 16 - 20 - 25 - 31,5 - 40 - 50 kA.
3.5.- Valor de cresta de la intensidad admisible (ver § 4.6 CEI 60 694) y poder de cierre (ver § 4.103 CEI 60 056)
El poder de cierre es el valor máximo que un disyuntor es capaz de establecer y de mantener en una instalación en cortocircuito.
Debe ser superior o igual al valor de cresta de la intensidad de corta duración asignada.
Icc es el valor máximo de la intensidad de cortocircuito asignado para la tensión asignada del disyuntor. El valor de cresta de la intensidad de corta duración admisible es igual a:
2,5 · Icc para 50 Hz
2,6 · Icc para 60 Hz
2,7 · Icc para aplicaciones particulares.
3.6.- Duración del cortocircuito asignado (ver § 4.7 CEI 60 694)
La duración de cortocircuito asignada es igual a 1 o 3 segundos.
3.7.- Tensión asignada de alimentación de los dispositivos de cierre y apertura y de los circuitos auxiliares (ver § 4.8 CEI 60 694)
Valores de la tensión de alimentación de los circuitos auxiliares:
• en corriente continua (cc): 24 - 48 - 60 - 110 o 125 - 220 o 250 voltios,
• en corriente alterna (ca): 120 - 220 - 230 - 240 voltios.
Las tensiones de funcionamiento deben encontrarse en los rangos siguientes:
• motor y disparadores de cierre: -15% a +10% de Ur en cc y ca
• bobinas de apertura: -30% a +10% de Ur en cc y -15% a +10% de Ur en ca
• bobinas de apertura de mínima tensión
3.8.- Frecuencia asignada (ver § 4.9 CEI 60 694)
Se utilizan actualmente dos frecuencias en todo el mundo: 50 Hz en Europa y 60 Hz en América; algunos países utilizan las dos frecuencias. La frecuencia asignada es de 50 Hz o 60 Hz.
3.9.- Secuencia de maniobra asignada (ver § 4.104 CEI 60 056)
Secuencia de maniobras asignada según CEI, O - t - CO - t' - CO.
O : representa una maniobra de apertura
CO : representa una maniobra de cierre seguida inmediatamente de una maniobra de apertura
Existen tres secuencias de maniobra asignadas:
• lenta: 0 - 3 mn - CO - 3 mn – CO
• rápida 1: O - 0,3 s - CO - 3 mn – CO
• rápida 2: O - 0,3 s - CO - 15 s - CO
Nota: se pueden solicitar otras secuencias.
Ciclo de cierre/apertura
Hipótesis: orden O desde que el disyuntor se cierra.
Ciclo de nuevo cierre automático
Hipótesis: orden C desde que se abre el disyuntor, (con temporización para obtener 0,3 s ó 15 s ó 3 min).
3.10.- Poder de corte asignado en cortocircuito (ver § 4.101 CEI 60 056)
El poder de corte asignado en cortocircuito es el valor más elevado de la corriente que el disyuntor debe poder cortar bajo su tensión asignada.
Se caracteriza por dos valores:
• el valor eficaz de su componente periódico, denominado de forma abreviada: "poder de corte asignado en cortocircuito"
• el porcentaje del componente aperiódico correspondiente a la duración de apertura del disyuntor a la que se añade el semi período de la frecuencia asignada. El semi período corresponde al tiempo mínimo de activación de una protección con el máximo de intensidad, es decir 10 ms a 50 Hz.
Según la CEI, el disyuntor debe cortar el valor eficaz del componente periódico del cortocircuito (= su poder de corte nominal) con el porcentaje de asimetría definido por las curvas siguientes.
Porcentaje de la componente aperiódica (% DC) en función del intervalo de tiempo (τ)
τ : duración de apertura del disyuntor (Top), aumentada de un semi período a la frecuencia industrial (Tr).
Ejemplo 1:
Para un disyuntor de duración de apertura mínima de 45 ms (Top) a los que se añaden 10 ms (Tr) debido a los relés, el gráfico proporciona un porcentaje de componente aperiódico del 30% para una constante de tiempo τ1 = 45 ms:
• La CEI define de forma estándar los equipos de MT para un %DC del 30%, para un valor de cresta de corriente máxima igual a 2,5 · Icc en 50 Hz ó 2,6 · Icc en 60 Hz. En este caso, se utiliza la curva τ1.
• Para los circuitos poco resistivos como las llegadas de generadores, %DC puede ser mayor, con un valor de cresta de la corriente máxima igual a 2,7 · Icc. En este caso, utilizar la curva τ4.
Para todas las constantes comprendidas entre τ1 y τ4, utilizar la fórmula:
• Valores del poder de corte asignado en cortocircuito: 6,3 - 8 - 10 - 12,5 - 16 20 - 25 - 31,5 - 40 - 50 - 100 kA.
• Los ensayos de corte en cortocircuito deben responder a las 5 secuencias de ensayo siguientes:
IMC : intensidad establecida
IAC : valor de cresta del componente periódica (Icc de cresta)
IDC : valor del componente aperiódica
%DC : % de asimetría o componente aperiódica:
• Intensidad de cortocircuito simétrica (en kA):
• Intensidad de cortocircuito asimétrica (en kA):
Ejemplo 2:
Supongamos que el %DC de un disyuntor de MT equivale al 65% y que la intensidad de cortocircuito simétrica calculada (Isim) equivale a 27 kA. ¿A qué es igual Iasim?
Basándose en la fórmula [A], equivale a una intensidad de cortocircuito simétrica de calibre:
El calibre del disyuntor deberá por lo tanto ser superior a 33,8 kA. Según la CEI, el calibre normalizado más próximo es 40 kA
3.11.- Tensión Transitoria de Restablecimiento asignada (TTR) (ver § 4.102 CEI 60 056)
Es la tensión que aparece entre las bornas de un polo del disyuntor después de la interrupción de la corriente. La forma de la onda de tensión de establecimiento varía en función de la configuración real de los circuitos.
Un disyuntor debe poder interrumpir una corriente determinada para todas las tensiones de restablecimiento cuyo valor sea inferior a la TTR asignada.
Factor de primer polo
Para los circuitos trifásicos, la TTR se refiere al polo que corta en primer lugar, es decir, a la tensión en las bornas del polo abierto. La relación de esta tensión con una tensión simple se denomina factor de primer polo y equivale a 1,5 para las tensiones de hasta 72,5 kV.
Valor de la TTR asignada
La TTR está en función de la asimetría; se proporciona para una asimetría del 0%.
Representación de una TTR especificada por un trazado de referencia con dos parámetros y por un segmento de recta que define un retardo.
Td : tiempo de retardo
t3 : tiempo necesario para alcanzar Uc
Uc : tensión de cresta de la TTR en kV
Velocidad de aumento de la TTR: Uc/t3 en kV/µs
3.12.- Poder de corte asignado en discordancia de fases (ver § 4.106 CEI 60 056)
Cuando un disyuntor está abierto y los conductores de ambos lados no son síncronos, la tensión entre sus bornas puede aumentar hasta la suma de las tensiones de los conductores (oposición de fases).
El disyuntor debe ser capaz de interrumpir la corriente igual a:
Esta corriente puede alcanzar la mitad del valor de la corriente de cortocircuito en bornas del disyuntor.
• En la práctica, la norma exige al disyuntor que corte una intensidad equivalente al 25% de la intensidad de defecto en las bornas, con una tensión igual al doble de la tensión en relación con la tierra.
• Si Ur es la tensión asignada del disyuntor, la tensión de restablecimiento (TTR) a frecuencia industrial es igual a:
o 2 · √3 · Ur para las redes cuyo neutro es directo a la tierra
o 2,5 · √3 · Ur para las demás redes.
• Valores de cresta de la TTR para las redes que no tienen neutro a tierra:
3.13.- Poder de corte asignado de los cables en vacío (ver § 4 .108 CEI 60 056)
La especificación de un poder de corte asignado para un disyuntor situado a la cabeza de cables en vacío no es obligatoria y no se considera necesaria para tensiones ≤ a 24 kV.
Valores normales del poder de corte asignado para un disyuntor situado a la cabeza de cables en vacío:
3.14.- Poder de corte asignado de las líneas en vacío (ver § 4 .107 CEI 60 056)
La especificación de un poder de corte asignado para un disyuntor de maniobra situado a la cabeza de líneas en vacío está limitado a las líneas aéreas trifásicas y de tensión asignada ≥ 72 kV.
3.15.- Poder de corte asignado de batería única de condensadores (ver § 4 .109 CEI 60 056)
La especificación del poder de corte de un disyuntor de maniobra situado aguas arriba de condensadores no es obligatoria. Debido a la presencia de armónicos, el poder de corte de los condensadores es igual a 0,7 veces el valor de la corriente asignada del aparato.
Por definición:
El valor normal de la sobretensión obtenida es igual a 2,5 pu, es decir:
3.16.- Poder de corte asignado de la batería de condensadores en escalones (ver § 4.110 CEI 60 056)
La especificación del poder de corte de condensadores en escalones no es obligatoria.
Si n es igual al número de escalones, la sobretensión equivale a:
3.17.-Poder de cierre asignado de las baterías de condensadores (ver § 4.111 CEI 60 056)
El poder de cierre asignado de las baterías de condensadores es el valor de la cresta de la corriente que el disyuntor debe poder establecer a su tensión asignada.
El valor del poder de cierre asignado del disyuntor debe ser superior al valor de la corriente de conexión de la batería de condensadores.
En servicio, la frecuencia de la corriente de conexión está normalmente en el rango 2 - 5 kHz.
3.18.- Poder de corte asignado de bajas corrientes inductivas (ver § 4.112 CEI 60 056)
El corte de una corriente poco inductiva (de unos amperios a algunas decenas de amperios) provoca sobretensiones.
El tipo de disyuntor debe elegirse con el fin de que las sobretensiones que aparecen no dañen el aislamiento de los receptores (transformadores,motores).
La figura siguiente representa las diferentes tensiones del lado de la carga
Uf : valor instantáneo de la tensión de red
Uc : tensión de la red en el momento del corte
Um : punto de extinción
Uif : sobretensión con respecto a tierra
Up : sobretensión máxima con respecto a tierra
Ud : amplitud máxima cresta a cresta de la sobretensión
debida al recebado.
Niveles de aislamiento de los motores
La CEI 60 034 establece los niveles de aislamiento de los motores. Los ensayos de resistencia a la frecuencia industrial y a los choques vienen dados en la tabla siguiente (niveles de aislamiento nominales para máquinas giratorias).
3.19.- Condiciones normales de funcionamiento (ver CEI 60 694)
Para todos los materiales que funcionen en condiciones distintas a las indicadas, debe preverse un decalaje (ver apartado 4). Los materiales están diseñados para un funcionamiento normal en las siguientes condiciones:
• Temperatura:
• Humedad:
• Altitud
La altitud no debe superar los 1.000 metros.
Resistencia mecánica
La resistencia mecánica exigida por la recomendación es de 2.000 maniobras.
Los disyuntores normalmente garantizan 10.000 maniobras.
Resistencia eléctrica
La resistencia eléctrica exigida por la recomendación es de 3 cortes a Icc.
Los disyuntores deben garantizan como mínimo 15 veces el corte Icc.
3.20.- Coordinación de los valores asignados (ver § CEI 60 056)
4.- Decalajes
Las diferentes normas o recomendaciones imponen los límites de validez para las características de los aparatos.
Las condiciones normales de utilización se han descrito en el apartado 3.19
Superados estos límites, es necesario reducir determinados valores, es decir, decalarlos.
Deben preverse decalarlos:
• sobre el nivel de aislamiento, para altitudes superiores a 1.000 metros
• sobre la intensidad asignada, cuando la temperatura ambiente supere 40ºC y para un grado de protección superior a IP3X,
Los distintos decalajes se pueden acumular si fuera necesario.
Nota: No existen normas que traten de forma específica el decalaje.
No obstante, la tabla V § 442 de la CEI 60 694 trata los calentamientos y proporciona los valores límite de temperatura que no deben superarse en función del componente, el material y el dieléctrico.
4.1 Decalaje del nivel de aislamiento en función de la altitud
Las normas contemplan un decalaje para todos los materiales instalados a una altitud superior a 1.000 metros.
Por regla general, es necesario decalar un 1,25% U de cresta cada 100 metros por encima de 1.000 metros.
Es aplicable a la resistencia a la tensión de los choques de sobretensión y a la resistencia a la tensión de frecuencia industrial 50 Hz - 1 min. La altitud no tiene ninguna incidencia en la resistencia dieléctrica de los disyuntores en el SF6 o en vacío, ya que están protegidos con envolvente estanco. Esta desclasificación, por el contrario, debe tenerse en cuenta cuando el disyuntor está instalado en celdas.
El aislamiento se realiza en tal caso en el aire.
Coeficientes normales de corrección:
• para los disyuntores fuera de celda, utilizar la curva siguiente.
• para los disyuntores en celda, consultar la tabla de selección de la celda (el decalaje depende del diseño de ésta).
Excepción para el mercado mejicano: el decalaje comienza desde cero metros (ver la curva punteada).
Ejemplo de aplicación:
¿Se puede instalar un material de tensión asignada de 24 kV a 2.500 metros?
La resistencia a la onda de choque solicitada es de 125 kV.
La resistencia a la frecuencia industrial 50 Hz es de 50 kV. 1 mn.
Para 2.500 m:
• k es igual a 0,85
• la resistencia a la onda de choque debe ser de 125/0,85 = 147,05 kV
• la resistencia a la frecuencia industrial 50 Hz debe ser de 50/0,85 = 58,8 kV
No, el material que debe instalarse es:
• tensión asignada = 36 kV
• resistencia a la onda de choque = 170 kV
• resistencia a 50 Hz = 70 kV
Nota:
Si no se desea suministrar material de 36 kV, es preciso disponer de los certificados de ensayo que demuestran que el material responde a la demanda.
4.2.- Decalaje de la intensidad asignada en función de la temperatura
Por regla general, el decalaje es del 1% de Ir por grado que supere los 40ºC. La norma CEI 60 694 § 442 tabla 5 define un calentamiento máximo admisible para cada componente, material y dieléctrico con una temperatura ambiente de referencia de 40.C.
Este calentamiento depende de tres parámetros:
• la intensidad asignada
• la temperatura ambiente
• el tipo de celda y su IP (índice de protección).
El decalaje se realizará según las tablas de selección de las celdas, ya que los conductores exteriores a los disyuntores sirven de radiador de disipación de las calorías.
5.- Ensayos tipo según CEI 60 056
El propósito de los ensayos de tipo es verificar las características del disyuntor, de sus dispositivos de control y equipos auxiliares.
En principio. cada ensayo de tipo debe realizarse en un disyuntor nuevo y limpio y los diversos ensayos de tipo pueden realizarse en diferentes momentos y en diferentes lugares.
5.1.- Los ensayos de tipo obligatorios son:
5.1.1.- Ensayos dieléctricos:
• Ensayo de choque tipo rayo.
• Ensayo de resistencia a frecuencia industrial del circuito principal y auxiliares de control.
5.1.2.-Ensayos de calentamiento y de medida de la resistencia del circuito principal
5.1.3.- Ensayo de la corriente admisible de corta duración
5.1.4.- Ensayo de la corriente de cresta admisible
5.1.5.- Ensayos mecánicos y climáticos:
• Los ensayos de funcionamiento mecánico a temperatura del aire ambiente
• Ensayos a alta y baja temperatura
5.1.6.- Ensayos de cierre y corte de corrientes de cortocircuito: defectos en bornes
5.1.7.- Ensayos de cierre y corte de corrientes capacitivas:
• Ensayos de corte de cables en vacío
• Ensayos de corte de baterías únicas de condensadores
• Ensayos de corte de baterías de condensadores de escalones
5.1.8.- Ensayos de cierre y corte de pequeñas corrientes inductivas:
• Ensayos de corte de motores
• Ensayos de corte de transformadores en vacío
• Ensayos de corte de reactancias shunt
Nota: los diferentes ensayos están detallados en el capitulo 2 de la CEI 60056
Los ensayos siguientes pueden ser solicitados para aplicaciones particulares.
5.1.9.- Ensayos de cierre y corte de corrientes de cortocircuito:
• Ensayos de corte con discordancia de fases
• Ensayos de corte en monofásico
Los ensayos de endurancia eléctrica (no están normalizados)
Nota: En la implantación de un nuevo disyuntor, los ensayos de tipo se llevan a cabo en el orden de prioridad que se indica a continuación.
Prioridad 1: ensayos realizados durante el lanzamiento de un producto.
Prioridad 2: ensayos realizados al inicio de la vida del producto.
Prioridad 3: ensayos realizados según las exigencias del mercado.
5.2.- Ensayos de rutina
El propósito de los ensayos de rutina es verificar las características del disyuntor, sus dispositivos de control y su equipo auxiliar. Son realizados por el fabricante, en fábrica, para cada aparato.
Los ensayos de rutina son:
■ funcionamiento mecánico,
■ medición de los tiempos de maniobra de los auxiliares,
■ caída de tensión máxima del circuito principal,
■ control de estanqueidad,
■ tiempo de cierre en ciclo rápido,
■ ensayos dieléctricos a frecuencia industrial:
o en el circuito principal,
o en los circuitos auxiliares.
■ verificación de la cadena de disparo para los disyuntores con protección integrada,
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