Cálculos de sistemas de protección eléctricos

 

Toda red eléctrica en funcionamiento anormal no debe causar daños a personas o bienes.

La protección de una red es el conjunto de medidas para detectar situaciones anómalas y remediarlas de manera fiable, selectiva y rápida.

Objetivos

El objetivo del cálculo del sistema de protección es:

● identificar situaciones de funcionamiento anormal que puedan provocar accidentes humanos, destrucción de equipos o pérdida de energía para los usuarios.

● determinar las medidas que deben adoptarse, garantizando la protección de las personas, los materiales y la disponibilidad de energía. Estas medidas conducen a las siguientes operaciones necesarias:

- definición del sistema de protección,

- elección, ubicación y asociación de dispositivos de corte y protección,

- determinación de los ajustes de las unidades de protección

Fenómenos y orígenes

Los fenómenos eléctricos que deben estudiarse son los siguientes:

● durante el funcionamiento a frecuencia industrial, en caso de fallos de funcionamiento relativos a los valores nominales de potencia (por ejemplo, sobrecarga), corriente, tensión frecuencia,…

● durante averías, cortocircuitos o sobretensiones.

La protección debe adaptarse en función de:

● al funcionamiento normal del sistema, que puede derivar hacia condiciones anormales: sobrecargas, caídas de tensión, ... ;

● a perturbaciones accidentales previstas: cortocircuitos, errores humanos;

● la arquitectura de la red (radial, bucle abierto o bucle cerrado).

Efectos y soluciones

Un sistema de protección defectuoso se manifiesta eléctricamente por: caídas de tensión en toda la red, sobretensiones, sobrecargas, corrientes de cortocircuito, cuyos principales efectos son:

● accidentes a las personas

● destrucción de los materiales

● mal funcionamiento de la red eléctrica de proceso.

Estos efectos se controlan:

● en primer lugar, tomando decisiones fundamentales relativas a :

- los esquemas de conexión a tierra, denominados regímenes de neutro: aislado (IT), puesto a tierra (TT o TN), impedante, compensado,

- los dispositivos de corte: disyuntores, fusibles, seccionadores fusibles, contactores,

- los principios de selectividad: amperométrico, cronométrico, energético, lógico, direccional, diferencial,

● después, por la coordinación de los dispositivos de protección a partir de los resultados del estudio de cortocircuito (ajustes de relés y disyuntores, filiación entre interruptores de BT).

En la práctica, esto se traduce en:

- desconectar la parte defectuosa lo más rápidamente posible

- mantener energizada la parte sana si es posible

- respaldo de la protección aguas arriba, con el principio de ajuste de la protección con disparo para la corriente de defecto más baja y no disparo para la corriente normal más alta.

Las ventajas de un estudio

El objetivo de un estudio de este tipo es garantizar el buen funcionamiento de la instalación eléctrica donde los parámetros que influyen son:

● los fallos de la red de distribución (fallos de fase, fallos y fugas a tierra, sobrecargas)

● los fallos propios de las máquinas en servicio (rotativas, informáticas, etc.),

● las configuraciones de funcionamiento: fuentes de alimentación, cargas, modos de reserva, ampliaciones futuras

● los dispositivos de la cadena de protección: captadores, relés/disparadores, aparamenta de corte.

● el plan de protección y los ajustes de las protecciones.

Ejemplo

Este caso procede de un estudio de diseño de la red de una planta petroquímica.

● Objetivo del cálculo

Elegir las funciones de protección para uno de los transformadores MT/BT de la instalación y determinar sus ajustes en caso de cortocircuito trifásico máximo en el lado BT.

● Resultados del cálculo

La parte del esquema considerado se muestra con su sistema de protección y la tabla resume los valores de ajuste recomendados para las funciones de protección (véase la fig. 1).

Las curvas tiempo/corriente de BT de la fig. 2 muestran que la selectividad está garantizada entre aguas arriba y aguas abajo del transformador.

 

Relés	Código ANSI	Tipo	Ajustes	Tiempo
A1	49	Térmico	120%	105 min.
A2	50/51	Máx. corriente Tiempo constante	1400 A	0,5 s.
A2	50/51	Máx. corriente Tiempo constante	3300 A	0,1 s.
B	50/51	Máx. corriente Tiempo constante	12000 A	0,25 s.
C	50/51	Máx. corriente Tiempo constante	3200 A	0,04 s.

 

Figura 1: Estudio de selectividad para una planta petroquímica, diagrama y tipos de relé de protección elegidos para un transformador AT/BT.

(0)    Corriente de defecto trifásica máxima en la salida de BT

A1 (1): térmico, A2 (2): máxima corriente, B (3): máxima corriente, C (4) máxima corriente en salida de BT.

Figura 2: Diagrama de selectividad de los dispositivos de protección aguas arriba y aguas abajo del transformador