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lunes, 13 de marzo de 2017

Coordinación entre interruptores de BT : Conceptos



En una instalación eléctrica de distribución de BT existen distintos niveles según se aprecia en la figura 1, cada nivel de la instalación tiene sus necesidades de seguridad y disponibilidad concretas.

La  coordinación de los interruptores debe adaptarse a las necesidades de cada instalación:
  • A nivel de CGBT (Cuadro general de Baja Tensión), la necesidad de energía es superlativa.
  • A nivel de cuadros de distribución, la limitación de esfuerzos en caso de defecto es importante.
  • A nivel de distribución final, la seguridad de personas es esencial.
El concepto de coordinación concierne al comportamiento de dos interruptores instalados en serie en una distribución eléctrica de BT en presencia de un cortocircuito, esta coordinación  debe respetar tres conceptos fundamentales: La filiación, la limitación  y la selectividad de las protecciones.

La filiación permite:
  • Ahorrar en las instalaciones
  • Simplificar la elección de las protecciones con la utilización de interruptores estándar
La limitación es una técnica que permite al interruptor reducir altamente las intensidades de cortocircuito. Las ventajas de la limitación son múltiples:
  • Atenuación de los efectos nefastos de los cortocircuitos:
  • Electromagnéticos. 
  • Térmicos.
  • Mecánicos.
  • Base de la técnica de filiación.
La selectividad de las protecciones es un punto clave para la continuidad de servicio.
La selectividad puede ser:
  • Parcial o,
  • Total
Según las características de la asociación de las protecciones.
Las técnicas de la selectividad establecidas son:
  • Amperimétrica
  • Cronométrica
  • Lógica
La selectividad puede optimizarse mediante el empleo de interruptores limitadores aguas abajo.

Figura. 1: esquema simplificado de una instalación tipo
que globaliza la mayoría de las instaladas.


Tabla 1: Interruptores adecuados a los niveles de un circuito

Recordatorio de las características eléctricas de los interruptores

Las características de reglaje son dadas por las curvas de disparo. Estas curvas contienen distintas zonas delimitadas por las siguientes corrientes (definidas en el anexo K de la norma IEC 60947-2).


Figura 2: Características de reglaje de los interruptores automáticos.

-   Intensidad nominal (In).In (en A eff.) = intensidad ininterrumpida máxima soportada a temperatura ambiente sin sobrecalentamiento anormal.
Ej.: 125 A a 40 °C.
-    Intensidad de regulación de sobrecarga ajustable (Ir).Ir (en A eff.) está en función de In. Ir caracteriza la protección contra las sobrecargas. Para el funcionamiento en sobrecarga, las intensidades convencionales de no disparo Ind y de disparo Id son:
· Ind = 1,05 Ir.
· Id = 1,30 Ir.
Id está dada por un tiempo convencional de disparo. Para una intensidad superior a Id, el disparo por defecto térmico se hará según la curva a tiempo inverso. Ir el nombre de Protección Largo Retardo (PLR).
-    Intensidad de regulación de disparo corto retardo (Isd).Isd (en kA eff.) está en función de Ir. Isd caracteriza la protección contra los cortocircuitos. La apertura del interruptor se hace según la curva de disparo por corto retardo:
· Con una temporización tsd.
· O con I2t constante.
· O instantáneamente (análoga a la protección instantánea).Isd recibe el nombre de Protección Corto Retardo o (PCR).
-   Intensidad de regulación de disparo instantáneo (Ii).Ii (en kA) está en función de In. Ii caracteriza la protección contra los corto-circuitos para todas las categorías de interruptores. Para las sobreintensidades importantes (los cortocircuitos) superiores al valor Ii, el interruptor debe cortar instantáneamente la intensidad de defecto. Esta protección puede ser deshabilitada según la tecnología y el tipo de interruptor (en particular los interruptores de categoría B).
-    Poder(*) asignado de cierre en cortocircuito (Icm).Icm (kA pico) es el valor máximo de intensidad de cortocircuito asimétrico que el interruptor puede establecer y cortar. Para un interruptor, el esfuerzo generado es máximo en un cierre por cortocircuito.
-    Poder(*) asignado de corte último (Icu).Icu (kA eff.) es el valor máximo de intensidad de cortocircuito que el interruptor puede cortar. Está verificado siguiendo una secuencia de ensayos normalizados. Después de esta secuencia, el interruptor no puede ser peligroso. Esta característica está definida por una tensión de empleo Ue determinada.
-    Poder(*) asignado de corte en servicio (Ics).Ics (kA eff.) valor dado por el constructor. Se expresa en % de Icu. Esta relación es muy importante ya que nos muestra la aptitud del interruptora asegurar un normal servicio, después de haber cortado tres veces la corriente de cortocircuito. Cuanto más alto sea el valor Ics, más efectivo será.
-   Intensidad asignada de corta duración admisible (Icw).Definida por los interruptores de categoría B.
Icw (kA eff.) es la intensidad de cortocircuito máxima que puede soportar el interruptor durante una breve duración (de 0,05 a 1 s) sin alteración de sus características. Este valor se verifica durante la secuencia de ensayos normalizados

(*) Estas características están definidas por una tensión de empleo Ue determinada.


Figura 3: intensidades a cortar y limitación.


Tabla 2: Cálculo de cortocircuitos asimétricos (IEC 60947-2 § 4.3.5.3).

La filiación, “efecto cascada” o protección de acompañamiento

Consiste en instalar un interruptor aguas arriba D1 para ayudar a un interruptor instalado aguas abajo D2 a cortar las intensidades de cortocircuito superiores a su poder de corte último Icu D2.

Este valor se marca como Icu D2 + D1. La norma IEC 60947-2 reconoce la filiación entre dos interruptores. Para los puntos críticos, donde las curvas de disparo se sobreponen, la filiación debe ser verificada mediante ensayos.

La selectividad

Consiste en asegurar la coordinación entre las características de funcionamiento en serie de tal manera que en caso de defecto aguas abajo, sólo el interruptor situado inmediatamente encima del defecto abre. La norma IEC 60947-2 define un valor de intensidad (Is) cuyo valor es límite de selectividad, tal que:
  • Si la intensidad de defecto es inferior a este valor (Is), sólo el interruptor D2 abre.
  • Si la intensidad de defecto es superior a este valor (Is), los interruptores D1 y D2 abren. Como para la filiación, la selectividad debe ser verificada por ensayos en los puntos críticos. La selectividad y la filiación sólo pueden ser garantizadas por el fabricante que recoja sus ensayos en tablas.


Figura 4: Diagramas de filiación y selectividad.

Principios de la limitación
La intensidad de defecto asumida, Icc, es la intensidad de cortocircuito que circularía en ausencia de limitación en el punto de la instalación donde está instalado el interruptor. 

Dado que la intensidad de defecto es eliminada antes del primer semiperiodo, sólo el primer pico de corriente Ipico asimétrico debe ser considerado. Este último es función del cos j de defecto de la instalación.

La disminución de esta Icresta acotada en IL, caracteriza la limitación de un interruptor.
La limitación consiste en crear una fuerza contraelectromotriz que se oponga al incremento de la intensidad de cortocircuito.

Los tres criterios determinantes para la eficacia de la limitación son:
  • El tiempo de intervención, el instante (ts) cuando aparece la fuerza contraelectromotriz (fcem).
  • La velocidad de incremento de esta (fcem).
  • El valor de esta (fcem).
La fuerza contraelectromotriz es la tensión de arco UA motivada por la resistencia del arco que se crea entre los contactos en separación. Su rapidez de evolución está ligada a la velocidad de separación de los contactos.




Figura 5: Limitación de la intensidad por velocidad de apertura

Como muestra la figura 5, a partir del instante (ts) donde los contactos se separan, la fuerza contraelectromotriz UA crece hasta el instante (t1) donde ésta es igual a la tensión de la fuente (Em). La intensidad limitada alcanza entonces su valor máximo y empieza a disminuir hasta extinguirse en (t2). Esta disminución se debe a la fuerza contraelectromotriz donde el valor es superior a (Em).

Poder de limitación de un interruptor

El poder de limitación de un interruptor define la capacidad más o menos grande a dejar paso, en un cortocircuito a una intensidad inferior a la intensidad de defecto asumida. El esfuerzo térmico de la intensidad limitada es el área (gris) definida por la curva del cuadrado de la intensidad limitada I2 cc (t). En ausencia de limitación, este esfuerzo sería el área, mucho mayor, definida por la curva cuadrado de la intensidad asumida. Para una intensidad de cortocircuito asumida Icc, una limitación de esta intensidad al 10 % se traduce por menos de un 1 % de esfuerzo térmico asignado. La elevación de la temperatura en los cables es directamente proporcional al esfuerzo térmico (1).


Figura 6: Limitación en intensidad y del esfuerzo térmico.

Ventajas:

-     Aplicación a la distribución eléctrica.
La limitación reduce en gran grado los efectos nefastos de los cortocircuitos de la instalación.


Tabla 3: Causas y efectos de la limitación.

Así, la limitación contribuye a alargar la vida de las instalaciones eléctricas.

(1) Debido a un cortocircuito, existe un calentamiento adiabático de los conductores (sin intercambio de calor con el exterior debido a la rapidez del aporte de energía). El aumento de temperatura en un conductor con sección S es:


recibe el nombre de esfuerzo térmico (A2S).

-     Aplicación a motores. Funcionalidades.
Las funciones a asegurar en un motor son:
  • Aislamiento.
  • Control.
  • La protección contra las sobrecargas (específicas).
  • La protección contra los cortocircuitos.
  • Las protecciones complementarias. 
La alimentación de un motor puede estar constituida de 1, 2, 3 o 4 aparatos distintos. En el caso de una asociación de distinto aparellaje –caso más frecuente– es necesario  coordinar las distintas funciones realizadas por el aparellaje.

-     Coordinación de los componentes de la alimentación de un motor.
Gracias a la limitación, los efectos nefastos de los cortocircuitos en la alimentación de un motor son altamente atenuados. Una buena limitación en interruptores permite favorecer fácilmente a una coordinación de tipo 2 como propone la IEC 60947-4-1, sin sobre dimensionamiento de componentes. Este tipo de coordinación garantiza al explotador un uso óptimo de la alimentación del motor.


         Tabla 4: Características de coordinación de las protecciones de los motores.

Figura 7: Alimentación del motor

Curvas de limitación

El poder de limitación de un interruptor es expresado por dos curvas de limitación que dan:

-  Pico de intensidad limitada en función de la intensidad eficaz de intensidad de cortocircuito asumida.
-    Ejemplo: en una alimentación de 160 A donde la Icc asumida es de 90 kA eficaz, el pico Icc no limitado es de 200 kA (factor asimétrico de 2,2) y la Icc limitada es de un pico de 26 kA.
-    El esfuerzo térmico limitado (en A2 s), en función de la intensidad eficaz de intensidad de cortocircuito asumida.
Ejemplo: en una alimentación, el esfuerzo térmico pasa de más de 100 10

Figura 8: Curvas de limitación.
La filiación
La filiación permite:
  • Ahorrar en las instalaciones. 
  • Simplificar la elección de las protecciones, con la utilización de interruptores de comportamiento estándar. 
La filiación “refuerza” el poder de corte de los interruptores situados aguas abajo de un interruptor limitador. El interruptor limitador “ayuda” al interruptor situado aguas abajo limitando fuertes corrientes de cortocircuito. La filiación permite utilizar un interruptor de poder de corte inferior a la corriente de corto-circuito calculada en ese punto de la instalación.

Área de aplicación:

-       La filiación:
· Concierne a todos los aparatos instalados aguas abajo del interruptor.
· Puede ser extendida a varios dispositivos consecutivos, incluso si se utilizan en  diferentes  cuadros.




Figura 9: Principios de la filiación.


Principios

Las normas de instalación imponen que el aparato situado aguas arriba tenga un poder de corte Icu superior o igual a la corriente de cortocircuito asumida en ese punto de la instalación. Para los interruptores situados aguas abajo, el poder de corte Icu a considerar es el poder de corte reforzado por la coordinación.

Tan pronto como los dos interruptores disparan (a partir del punto IB), una tensión de arco UAD1 en la separación de los contactos de D1 se suma a la tensión UAD2 y ayuda por limitación complementaria al interruptor D2 a abrir. La asociación formada por D1 + D2 permite mejorar el comportamiento de D2 como se muestra en la figura 10:
  • Curva de limitación D2.
  • Curva de limitación D2 reforzada por D1.
  • Icu D2 reforzada por D1.De hecho, de acuerdo a las recomendaciones de la UNE 60947-2, los fabricantes dan y garantizan directamente la Icu reforzada por la asociación formada por D1 + D2.

Figura 10: La asociación de la filiación.

Ventajas

La filiación permite beneficiarse de todas las ventajas de la limitación. De este modo, los efectos de las corrientes de cortocircuito se reducen a:
  • Los efectos electromagnéticos.
  • Los efectos electrodinámicos.
  • Los efectos térmicos. 
La instalación de un solo interruptor limitador produce importantes simplificaciones y ahorros en toda la instalación aguas abajo:
  • Simplificación en la elección de los aparatos por las tablas de filiación.
  • Ahorro en los aparatos aguas abajo. La limitación permite utilizar interruptores de comportamiento estándar.
 La selectividad
Generalidades:

-   Principio.

Recordatorio (ver apartado 1.4 de “la norma UNE 60947-2”).

La selectividad consiste en asegurar la coordinación entre las características de funcionamiento de interruptores automáticos colocados en serie, de tal manera que en caso de defecto aguas abajo solo dispara el aparato situado inmediatamente aguas arriba. Se define una intensidad Is de selectividad tal que: 
  • Idefecto > Is: los dos interruptores automáticos disparan.
  • Idefecto < Is: solo D2 elimina el defecto.


Figura 11: Principios de la selectividad.

-    Calidad de la selectividad



El valor (Is) debe ser comparado con el valor lcc (D2) presunto en el punto D2 de la instalación.
  • Selectividad total: Is > Icc (D2); la selectividad se considera total, es decir, para cualquier valor de intensidad de defecto D2 sólo lo elimina. 
  • Selectividad parcial: Is < Icc (D2); la selectividad se considera parcial, es decir, hasta Is, sólo D2 elimina el defecto. Por encima de Is, D1 y D2 abren.
-    Datos del constructor.

De hecho, los constructores dan la calidad de la selectividad de manera intrínseca, es decir:
  • Selectividad total, si Is es igual a Icu D1 (la asociación nunca podrá ver una intensidad de defecto superior a este valor). 
  • Selectividad parcial, limitada a Is. Este valor Is puede, sin embargo, ser superior al de Icc (D2). Visto por el usuario, la selectividad es total.
Glosario:
  • Icc (D1): Intensidad de cortocircuito en el punto donde D1 está instalado. 
  •  IcuD1: Poder de corte último de D1.


FUENTE: Schneider Electric: Coordinación de las protecciones BT


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