Aparamenta de Subestación: Disyuntores de Media Tensión (Parte 1ª)

Introducción

La IEC 60056 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 El disyuntor es un aparato que lleva a cabo el control y la protección de una red. Puede establecer, soportar e interrumpir la intensidad de servicio, así como la intensidad de cortocircuito controles y la instalación.

·         El circuito principal debe poder soportar sin daños

o   la intensidad térmica = intensidad de cortocircuito durante 1 ó 3 s

o   la intensidad electrodinámica:

                               2,5 • Icc para 50 Hz (CEI)

                               2,6 • Icc para 60 Hz (CEI)

                               2,7 • Icc (ANSI), para constantes de tiempo particulares (IEC)

o   la intensidad de carga permanente.

·         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.

Características

Características asignadas obligatorias:

·         Tensión asignada

·         Nivel de aislamiento asignado

·         Intensidad asignada en servicio continuo

·         Intensidad de corta duración admisible asignada

·         Valor de cresta de la intensidad admisible asignada b 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.

Características asignadas particulares:

·         Estas características no son obligatorias pero pueden solicitarse para aplicaciones específicas:

o   poder de corte asignado en discordancia de fases v poder de corte asignado de los cables en vacío

o   poder de corte asignado de las líneas en vacío

o   poder de corte asignado de batería única de los condensadores

o   poder de corte asignado de las baterías de condensadores en escalones

o   poder de cierre asignado de las baterías de condensadores

o   poder de corte asignado de bajas corrientes inductivas.

Tensión asignada (ver § 4.1 IEC 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.

Nivel de aislamiento asignado (ver § 4.2 IEC 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.

Intensidad asignada en servicio continuo (ver § 4.4 IEC 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 IEC establece el calentamiento máximo admisible de los distintos materiales utilizados para una temperatura ambiente que no supere los 40˚C (ver § 4.4.2 tabla 3 IEC 60 694).

Intensidad de corta duración admisible (ver § 4.5 IEC 60 694)

Scc : potencia de cortocircuito (en MVA)

U   : 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 ó 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.

Valor de cresta de la intensidad admisible (ver § 4.6 IEC 60 694) y poder de cierre (ver § 4.103 IEC 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.

Duración del cortocircuito asignado (ver § 4.7 IEC 60 694)

La duración de cortocircuito asignada es igual a 1 ó 3 segundos.

Tensión asignada de alimentación de los dispositivos de cierre y apertura y de los circuitos auxiliares (ver § 4.8 IEC 60 694)

·         Valores de la tensión de alimentación de los circuitos auxiliares:

o   en corriente continua (cc): 24 - 48 - 60 - 110 ó 125 - 220 ó 250 voltios,

o   en corriente alterna (ca): 120 - 220 - 230 - 240 voltios.

·         Las tensiones de funcionamiento deben encontrarse en los rangos siguientes:

o   motor y disparadores de cierre: -15% a +10% de Ur en cc y ca

o   bobinas de apertura: -30% a +10% de Ur en cc,  -15% a +10% de Ur en ca

o   bobinas de apertura de mínima tensión

Frecuencia asignada (ver § 4.9 IEC 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 ó 60 Hz.

Secuencia de maniobra asignada (ver § 4.104 IEC 60 056)

·         Secuencia de maniobras asignada según IEC, 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:

o   lenta: 0 - 3 mn - CO - 3 mn – CO

o   rápida 1: O - 0,3 s - CO - 3 mn - CO

o   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).

Poder de corte asignado en cortocircuito (ver § 4.101 IEC 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:

o   el valor eficaz de su componente periódica, denominado de forma abreviada: "poder de corte asignado en cortocircuito"

o   el porcentaje de la componente aperiódica 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 IEC, el disyuntor debe cortar el valor eficaz de la componente periódica del cortocircuito (= su poder de corte nominal) con el porcentaje de asimetría definido por las curvas siguientes.

τ : duración de apertura del disyuntor (Top), aumentada de un semiperíodo a la frecuencia industrial (Tr).

Porcentaje de la componente aperiódica (% DC) en función del intervalo de tiempo (t)

·      La IEC 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, utilizar 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.

Ejemplo 1:

Para un disyuntor de duración de apertura mínima de 45 ms (Top) a los que se añaden 10 ms (τr) debido a los relés, el gráfico proporciona un porcentaje de componente aperiódica del 30% para una constante de tiempo τ₁ = 45 ms.

Ejemplo 2:

Supongamos que el % _DC de un disyuntor de MT equivale al 65% y que la intensidad de cortocircuito simétrica calculada (I_sim.) equivale a 27 kA.

¿A qué es igual I_asim.?

 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 IEC, el calibre normalizado más próximo es 40 kA.

·         Los ensayos de corte en cortocircuito deben responder a las 5 secuencias de ensayo siguientes:

I_MC : intensidad establecida                                                                                       

I_AC : valor de cresta de la componente periódica (Icc de cresta)

I_dc : valor de la componente aperiódica

%_DC : % de asimetría o componente aperiódica

·         Intensidad de cortocircuito simétrica (en kA):

·         Intensidad de cortocircuito asimétrica (en kA):

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La protección de cuba en Transformadores (ANSI 50 ó 51)

Protección de cuba en un transformador

Este tipo de protección, cada vez más utilizada en transformadores de distribución con resultados aceptables, está basada en la medida de la corriente que circula por la conexión de la cuba del transformador hacia tierra en caso de defectos internos de sus partes activas contra masa. En tales casos la corriente que circula hacia tierra dependerá de la configuración de la red y de las impedancias de los circuitos derivados a la cuba y de esta hacia tierra.

Es interesante, por tanto, que esta conexión a tierra sea de escaso valor óhmico y lo más corta posible. No es aconsejable la interconexión de esta tierra con la correspondiente a la de neutro, porque ello daría lugar a desconexiones intempestivas, motivadas por defectos ajenos al transformador.

Esta protección es igualmente sensible a aquellos defectos externos que accidentalmente pudieran poner en tensión la cuba del transformador, tal es el caso de efluvios de corriente en pasatapas por defecto de aislamiento, descarga de sobretensión en explosores, faltas provocadas por contactos de animales, circuitos auxiliares derivados a masa, etc.                                

La protección de cuba, (figura) comprende:      

               

·         1 Transformador de intensidad toroidal (T1).

·         1 Interconexión cuba/tierra (Tc).

·         1 Relé instantáneo de máxima intensidad (R). 

·         Relés intermedios de disparo y señalización. 

Si Z_C, Z_t y Z_r son las impedancias de la cuba, de su interconexión a tierra y del circuito de alimentación del relé respectivamente, cuando se produce un defecto a masa en el transformador la corriente Id dará origen a una corriente en el relé, cuyo valor es:

Una corriente de cortocircuito a tierra Icc en la instalación, se podría transferir a la tierra de cuba del transformador, originando una corriente I'r en el relé:

de donde:

Deduciéndose de esta expresión que los defectos externos Icc no deberán dar lugar a corrientes de funcionamiento en el relé, se trata, por tanto de elevar considerablemente la impedancia Z_c , en la práctica se suelen aislar las salidas (ruedas, etc.) del transformador con relación al terreno con lo que limitaremos mucho el valor de I'r.

Así mismo, la expresión (3) nos pone de manifiesto, la necesidad de no interconectar la tierra de neutro con la tierra de cuba, debido a las elevadas Icc circulantes que provocarían desconexiones intempestivas en la instalación.

Indicaciones de regulación

La regulación de corriente puede ser fijada a 20 A.

Para un régimen de neutro con impedancia de limitación, deberá ser igual o inferior al 30% de la corriente de limitación It.

Por ejemplo, si 0,3 · It < 20 A se puede fijar el nivel de corriente Ir a 0,3 It.

La temporización debe ser pequeña, o incluso nula.

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Capacidad de carga y sobrecarga en Transformadores

Tanto el tiempo como la temperatura influyen sobre los aislamientos fibrosos, disminuyendo su consistencia mecánica y eventualmente, haciéndoles quebradizos y desintegrándolos. El aislamiento de la clase "A" no falla eléctricamente al llegar a una temperatura critica, sino por deterioro mecánico gradual.

Es por tanto importante, conocer la rapidez de deterioro físico que se produce bajo la influencia de la temperatura y del tiempo. Se ha demostrado que la resistencia mecánica del aislamiento clase "A", tal como viene empleándose en los transformadores sumergidos en aceite, queda reducida a la mitad por cada elevación de temperatura de 7 a 10 ºC. aproximadamente, dentro de la gama de  variaciones de temperatura correspondiente al funcionamiento práctico del transformador.

La duración de los aislamientos expresados en años, es una cuestión que depende principalmente del tiempo que permanece en servicio el transformador y de la carga que lleva durante el periodo de trabajo.

La regla de los 8 ºC. permite estimar aproximadamente la rapidez relativa con que se destruye el aislamiento, ya sea en condiciones de:  a) aumento de la temperatura constante sobre el valor que debe dar una duración satisfactoria del transformador; b) temperaturas alcanzadas durante cortos periodos, resultantes de sobrecargas por tiempo limitado.

Para poder estimar la rapidez de envejecimiento y lo que le resta aún de duración al transformador, se deberá conocer cuál es el punto de mayor temperatura durante el periodo que ha estado en servicio.

Es muy discutible estimar correctamente la vida real de un transformador, basándose en pruebas de envejecimiento, dado que existen factores como son vibraciones, esfuerzos de cortocircuito y sobretensiones que deben tenerse en cuenta.

Sin embargo, la regla de los 8 ºC. es muy útil para determinar la rapidez de envejecimiento de los aislantes a diferentes temperaturas.

Régimen nominal:

Se entiende como régimen nominal de un transformador la carga del mismo con su intensidad nominal en el lado secundario cuando en el lado primario se aplica la tensión asignada y la frecuencia asignada.

La tensión del lado secundario varía con respecto a la nominal de marcha en vacío, ya que se produce una caída de tensión provocada por la corriente de carga que depende del factor de potencia y de la carga entre otras.

Capacidad de carga basándose en la temperatura ambiente

Por cada grado centígrado que la temperatura media del elemento refrigerante esté por encima o por debajo de 30 ºC. en el caso de refrigeración por aire, y de 25 ºC. si la refrigeración es por agua, el transformador podrá ser sobrecargado por cualquier periodo de tiempo por encima de su capacidad normal, de acuerdo con la siguiente tabla.

Sistema de refrigeración	kVA, en % del valor nominal
	Disminución de la carga cuando la temperatura es más elevada	Aumento de la carga cuando la temperatura es menos elevada
Autorrefrigerado Refrigerado por agua Refrigerado por aire forzado Refrigerado por aceite forzado	1,5 1,5 1,0 1,0	1,0 1,0 0,75 0,75

La temperatura media deberá ser tomada sobre la base de periodos de 24 horas, siendo la máxima no mayor de 10 ºC. por encima de la media en el caso del aire y de 5 ºC. en el caso del agua. Siguiendo estos datos, la duración probable de un transformador será aproximadamente la misma que si hubiera trabajado con su régimen nominal y temperaturas ambientes normales durante los mismos periodos de tiempo

Capacidad de carga de un transformador basándose en el factor de utilización

Cuando el factor de carga en un periodo de tiempo no mayor de 24 horas es menor de 100 %, la carga máxima de un transformador durante ese periodo podrá elevarse sobre la capacidad normal en kVA., en los tantos por ciento establecidos en la siguiente tabla, por cada 1 % en que el factor de carga sea menor del 100 %.

                           (1) Corresponde a un factor de carga del 50 %.

Siguiendo estas normas, la duración probable será aproximadamente la misma que si el transformador hubiese funcionado con su carga nominal ese periodo.

Sobrecargas diarias admisibles para mantener la duración normal probable

Cuando no se producen sobrecargas de corta duración más de una vez cada 24 horas, la carga máxima de un transformador podrá ser aumentada ligeramente por encima de la capacidad nominal, tal como se puede ver en la siguiente tabla.

(1) Los tantos por cientos indican la carga que se acepta como existente antes de aplicar la sobrecarga de corta duración.

Se deberá tomar, ya sea la carga media de las dos horas anteriores a la sobrecarga o la carga media de 24 horas (sin contar el periodo de sobrecarga) según cual de los dos sea mayor.

NOTA 1.- La temperatura ambiente considerada para esta tabla es de 30 ºC. en el caso de refrigeración por aire y de 25 ºC. en el caso de refrigeración por agua.

NOTA 2.- Como las cargas antes indicadas, podrán ser aplicadas una vez cada 24 horas, y como existe evidencia de que la rapidez de deterioro del aislamiento alrededor de los 190 ºC. se duplica al elevarse la temperatura del aislamiento en menos de 8 ºC., los valores de esta tabla se han basado en 4 ºC. en lugar de los 8 ºC.

Siguiendo estas normas, la probabilidad de duración será la misma que si el transformador hubiera trabajado con su capacidad normal durante el mismo periodo.

Sobrecargas de corta duración con sacrificio de la duración probable

Valores de sobrecarga para los diferentes tipos de transformadores con distintos términos de duración probable, según los valores de la siguiente tabla.

Relación entre la temperatura del punto más caliente del cobre y la disminución de la duración probable.

Limitaciones

Se han establecido las siguientes limitaciones para la sobrecarga de transformadores:

                Máxima temperatura del aceite (sin protección) (1)                  90 ºC. (2)

                Máxima temperatura del aceite (protegido) (1)                         100 ºC. (2)

                Máxima temperatura del punto más caliente del cobre            150 ºC.

                Máxima sobrecarga de corta duración (1/2 hora o más)          200 ºC. (3)

(1) El aceite se considera protegido o no, según que el transformador este equipado o no con conservador o con gas inerte sobre el aceite.

(2) A altas temperaturas del aceite podrán hacerse necesarias ciertas medidas de precaución, tales como desagüe del aceite, para evitar que este rebose o que la presión suba excesivamente.

(3) Los accesorios conductores de la corriente, además de los devanados, podrán imponer límites menores.

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Hoja de cálculo Excel sobre la evolución de la temperatura con la carga de Transformadores en baño de aceite ONAN: Solo accesible con la compra del libro Ingeniería de Máquinas y Sistemas Eléctricos

¿Qué es una máquina eléctrica?

Constitución básica

Una máquina eléctrica no es más que un Acoplador Electromagnético, es decir, un sistema que transforma la energía mecánica en magnética, para que ésta se transforme en energía eléctrica, en este caso la máquina eléctrica se denomina Generador.

El proceso es reversible. La energía eléctrica puede transformarse en magnética, y esta a su vez transformarse en mecánica. En este caso la máquina eléctrica se denomina Motor.

También se incluyen en esta definición las máquinas que transforman la electricidad en la misma forma de energía pero con una presentación distinta más conveniente a su transporte o utilización. En este caso la máquina eléctrica se denomina Transformador.

La Máquina Eléctrica más elemental está constituida por una espira que, alimentada por una corriente, gira en el seno de un campo magnético.

Todas las demás máquinas  eléctricas pueden analizarse como una evolución de la máquina elemental.

Máquina eléctrica elemental: Evolución

Núcleo cilíndrico de material ferromagnético

Constructivamente, para obtener una buena respuesta de la máquina, interesa que el grosor de su entrehierro sea constante.

Además es conveniente que el campo magnético que produce la corriente eléctrica al circular por la espira se aumente.

Por estas razones se dispone un núcleo cilíndrico de material ferromagnético sobre el que se arrolla la espira.

Espira alojada en ranuras en la periferia del rotor

Como el par de torsión se induce sobre la espira, es importante tener ésta alojada en unas ranuras en la periferia del rotor.

 Con esta configuración se tiene:

·         El entrehierro se reduce todavía más.

·      La fuerza que se genera actuará ahora sobre el rotor y no sobre la espira. Puede demostrarse que la inserción de la espira en ranuras hace que la fuerza aparezca directamente sobre el rotor y no sobre la ranura. Esto permite que los aislantes de las bobinas no queden chafados contra las ranuras.

Circuito de excitación

Para finalizar esta visión rápida de una máquina eléctrica, debemos disponer el circuito de excitación que genera el campo magnético en el cual la espira gira.

Para la máquina de la figura, la bobina inferior podría alimentarse con una tensión alterna, de forma que la corriente alterna que circulase generase un campo alterno en el entrehierro, que en combinación con el campo producido por la corriente de la espira daría lugar a un par de torsión.

El acoplador electromagnético como Generador

Para que en un generador se produzca fuerzas electromotrices, se necesitan dos circuitos eléctricos (uno fijo en el estátor y otro móvil en el rotor) que estén en el seno de un campo magnético. El conjunto se denomina Acoplador Electromagnético.

El acoplador electromagnético como Generador transforma la energía mecánica en eléctrica.

Para funcionar como generador:

·         Hacemos girar el rotor

·         El conductor adquiere una velocidad relativa v.

·     La interacción del conductor en movimiento con el campo magnético B, induce una f.e.m. en el conductor.

De esta forma en los bornes de las espiras se tiene una tensión inducida.

El acoplador electromagnético como Motor

Para que en un motor se produzca fuerzas o pares de giro sobre las bobinas o inducidos se necesitan dos circuitos eléctricos (uno fijo en el estátor y otro móvil en el rotor) que estén en el seno de un campo magnético. El conjunto se denomina Acoplador Electromagnético.

El acoplador electromagnético como Motor transforma la energía eléctrica en magnética para que esta se transforme en mecánica.

Para funcionar como motor:

·        Hacemos circular una corriente por la espira

·     Esta corriente provoca un campo magnético propio que interacciona con B dando lugar a una Fuerza F sobre el conductor.

·        Esta Fuerza F implica la aparición de un par de torsión.

El acoplador electromagnético como Transformador

El Transformador acopla dos o más circuitos de corriente alterna (AC), utilizando el Principio de Inducción Electromagnética entre las bobinas primaria y secundaria concatenadas con un circuito magnético o núcleo magnético.  El conjunto se denomina Acoplador Electromagnético.

El transformador, transforma una energía eléctrica de entrada en una energía eléctrica de salida, modificando, si se desea, los niveles de la tensión e intensidad de la energía de entrada y salida para adaptarlos a la aplicación que se desee.

Es una máquina eléctrica estática (sin partes móviles) y la transformación entre el circuito de entrada y el de salida se realiza, como se ha indicado anteriormente,  por el principio de inducción electromagnética de Faraday.

Clasificación general de las máquinas eléctricas

Generadores:

Motores de corriente continua:

Motores de corriente alterna:

Motores Híbridos:

Transformadores (máquinas estáticas):

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