estudios de cÁlculo del arco elÉctrico en sistemas industria
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5/28/2018 ESTUDIOS DE CLCULO DEL ARCO ELCTRICO EN SISTEMAS INDUSTRIA
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ESTUDIOS DE CLCULO DEL ARCO ELCTRICO EN SISTEMAS
INDUSTRIALES Y PROPUESTAS PARA REDUCIR EL RIESGO.
- DESARROLLO DE APLICATIVOS COMPUTACIONALES -
JOS FRANCISCO RIVERA GUTIRREZ
CARLOS EDUARDO VALLEJO BETANCUR
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
ESCUELA DE INGENIERAS
FACULTAD INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA
INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA
MEDELLN2013
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ESTUDIOS DE CLCULO DEL ARCO ELCTRICO EN SISTEMAS
INDUSTRIALES Y PROPUESTAS PARA REDUCIR EL RIESGO
DESARROLLO DE APLICATIVOS COMPUTACIONALES.
CARLOS EDUARDO VALLEJO BETANCUR
Trabajo de grado para obtener el ttulo de Ingeniero Electrnico
JOS FRANCISCO RIVERA GUTIRREZ
Trabajo de grado para obtener los ttulos de Ingeniero Electrnico e
Ingeniero Electricista
Director
JORGE WILSON GONZLEZ SNCHEZ
Ingeniero Electricista, Ph.D Energa y Transmisin de Potencia,M.Sc Transmisin y Distribucin de Energa Elctrica
UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA
ESCUELA DE INGENIERAS
FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA
INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICA
MEDELLN
2013
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NOTA DE ACEPTACIN
________________________________________
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________________________________________
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Firma
Nombre
Presidente del jurado
________________________________________
Firma
Nombre
Jurado
________________________________________
Firma
NombreJurado
Medelln, Noviembre de 2013
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AGRADECIMIENTOS
A nuestros padres y a nuestras familias por el apoyo que nos han brindado para
poder alcanzar nuestras metas.
A nuestros profesores por todas sus enseanzas y conocimientos brindados
durante estos aos de academia.
Al Ingeniero Jorge Alberto Vlez, analista de protecciones, por la asesora
brindada en el desarrollo del proyecto y al Ingeniero Jorge Wilson Gonzlez por
brindarnos los medios para el desarrollo del mismo, as tambin a ambos porcontribuir en nuestra formacin profesional.
Mil gracias a todas las personas que nos colaboraron de una u otra forma en
nuestra formacin profesional.
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CONTENIDO
GLOSARIO .............................................................................................................................................. 10
RESUMEN DEL PROYECTO ................................................................................................................ 12
INTRODUCCIN ..................................................................................................................................... 13
OBJETIVOS ............................................................................................................................................. 14
ALCANCE ................................................................................................................................................ 16
1. FALLAS ELCTRICAS .................................................................................................................. 17
1.1 FALLAS PROPIAS AL SISTEMA DE POTENCIA................................................................................................. 17
1.2 FALLAS AJENAS AL SISTEMA DE POTENCIA.................................................................................................. 17
2. ZONA DE PROTECCIN ............................................................................................................... 19
2.1 PROTECCIN PRINCIPAL ........................................................................................................................ 20
2.2 PROTECCIN DE RESPALDO (BACK UP) ..................................................................................................... 20
2.3 RESPALDO REMOTO ............................................................................................................................. 21
2.4 RESPALDO LOCAL ................................................................................................................................. 21
3. CRITERIOS DE OPERACIN Y DISEO DE SISTEMAS DE PROTECCIONES................... 22
3.1 CONFIABILIDAD.................................................................................................................................... 22
3.2 FIABILIDAD ......................................................................................................................................... 22
3.3 SEGURIDAD ......................................................................................................................................... 22
3.4 SELECTIVIDAD...................................................................................................................................... 23
3.5 VELOCIDAD DE OPERACIN .................................................................................................................... 23
3.6 SIMPLICIDAD ....................................................................................................................................... 23
4. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES ELCTRICAS ..................................... 24
5. PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE ANSI 50/51 ............................................................ 25
6. COORDINACIN DE PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE........................................... 28
7. ARCO ELCTRICO ........................................................................................................................ 30
7.1 RIESGOS POR ARCO ELCTRICO................................................................................................................ 30
7.2 FACTORES QUE INCIDEN EN LA INICIACIN DEL ARCO ELCTRICO..................................................................... 317.3 ESTNDAR IEEE1584-2002 ................................................................................................................ 32
7.4 ESTNDAR NFPA70E ......................................................................................................................... 34
7.5 MTODO GENRICO ............................................................................................................................. 36
8. EQUIPOS DE PROTECCIN PERSONAL, MTODOS DE SEGURIDAD Y NUEVASESTRATEGIAS ....................................................................................................................................... 37
8.1 EQUIPODEPROTECCINPERSONAL(EPP) ..................................................................................... 37
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8.1.1 CATEGORA NIVEL 0 ............................................................................................................................. 39
8.1.2 CATEGORA NIVEL 1 ............................................................................................................................. 39
8.1.3 CATEGORA NIVEL 2 ............................................................................................................................. 408.1.4 CATEGORA NIVEL 3 ............................................................................................................................. 41
8.1.5 CATEGORA NIVEL 4 ............................................................................................................................. 41
8.2 MTODOSDESEGURIDADDELPERSONALOPERATIVO.................................................................. 43
8.3 NUEVASESTRATEGIASPARALAMITIGACINDEFALLASELCTRICAS ............................................ 45
9. DESARROLLO DEL APLICATIVO PARA EL CLCULO DEL RIESGO ELCTRICO YESTIMACIN DE EPP ............................................................................................................................ 48
9.1 ESTNDAR IEEE1584-2002 ................................................................................................................ 48
9.2 ESTNDAR NFPA70E .......................................................................................................................... 49
9.3 MTODO GENRICO ............................................................................................................................. 49
9.4 COMPARACIN DE RESULTADOS APLICATIVO RIESGO ELCTRICO................................................................... 50
9.5 VERIFICACIN CLCULO ENERGA INCIDENTE ESTNDAR IEEE1584-2002 ..................................................... 50
9.6 VERIFICACIN CLCULO ENERGA INCIDENTE ESTNDAR NFPA70E .............................................................. 51
9.7 VERIFICACIN CLCULO ENERGA INCIDENTE MTODO GENRICO................................................................. 52
10. RED UNIFILAR IEC 909 EXAMPLE 3 ..................................................................................... 53
10.1 CARACTERSTICAS TCNICAS................................................................................................................... 55
10.2 METODOLOGA DE ESTUDIO PARA LA COORDINACIN DE PROTECCIONES ........................................................ 57
10.3 MODOS DE OPERACIN DE LA RED ELCTRICA .......................................................................................... 58
10.4 DISPOSICIN DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCIN DE SOBRECORRIENTE.......................................................... 61
10.5 COORDINACIN DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCIN .................................................................................. 63
11. MANUAL DE USUARIO DEL APLICATIVO PARA EL CLCULO DEL RIESGOELCTRICO Y ESTIMACIN DE EPP ................................................................................................. 73
11.1 ACERCA DE ESTE MANUAL...................................................................................................................... 73
11.2 INSTALACIN Y PREPARATIVOS INICIALES................................................................................................... 73
IMPORTACIN EXPORTSHC.DZ ............................................................................................................................. 73
IMPORTACIN DE DATOS .................................................................................................................................... 78
11.3 CALCULAR LA ENERGA INCIDENTE SEGN NFPA70E .................................................................................. 80
11.4 CALCULAR LA ENERGA INCIDENTE SEGN IEEE1584 ................................................................................. 81
11.5 CALCULAR LA ENERGA INCIDENTE SEGN MTODO GENRICO...................................................................... 82
11.6 ETIQUETA DE ADVERTENCIA.................................................................................................................... 83
11.7 CONSULTAR EQUIPOS DE PROTECCIN PERSONAL....................................................................................... 86
12. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 88
13 BIBLIOGRAFA ......................................................................................................................... 91
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Zonas de proteccin ............................................................................... 19Figura 2. Esquema de teleproteccin empleado en protecciones distancia. ......... 24Figura 3. Caracterstica tpica de rels de proteccin de sobrecorriente ............... 26Figura 4. Grficas de curvas IEC 60255 ............................................................... 27Figura 5. Grficas de curvas IEEE Std 112-1996 ....Error! Marcador no definido.Figura 6. Secuencia de pasos para la coordinacin de sistemas de proteccin ... 28Figura 7. Fronteras de proteccin contra arco elctrico ........................................ 35Figura 8. Clasificacin del Riesgo y eleccin de los EPP ...................................... 38
Figura 9. Principio de funcionamiento ................................................................... 45Figura 10. Secuencia de eventos .......................................................................... 46Figura 11. Diagrama de bloques de un rel con deteccin de arco ...................... 47Figura 12. Clculo Energa Incidente estndar IEEE1584-2002 implementacin . 48Figura 13. Clculo Distancia de Frontera estndar IEEE1584-2002 implementacin.............................................................................................................................. 48Figura 14. Clculo Energa Incidente estndar NFPA 70E implementacin ......... 49Figura 15. Clculo Distancia de Frontera estndar NFPA 70E implementacin ... 49Figura 16. Clculo Energa Incidente Mtodo Genrico ........................................ 49Figura 17. Clculo Distancia de Frontera Mtodo Genrico implementacin ........ 49
Figura 18. Figure B.13 (10) Arc flash reported in spreadsheet .............................. 50Figura 19. Clculo de la energa incidente a travs del Aplicativo segn IEEE1584-2002 ............................................................................................................. 50Figura 20. Spreadsheet by Cooper Bussman (11) ................................................ 51Figura 21. Clculo de la energa incidente a travs del Aplicativo segn NFPA 70E.............................................................................................................................. 51Figura 22. Spreadsheet by ATC Consulting Services ........................................... 52Figura 23. Clculo de la energa incidente a travs del Aplicativo segn MtodoGenrico ................................................................................................................ 53
Figura 24. Diagrama Unifilar IEC 909 - Example 3 ................................................ 54
Figura 25. Metodologa del estudio ....................................................................... 58Figura 26.Disposicin de rels de sobrecorriente ................................................ 61Figura 27. Caracterstica del esquema de proteccin sin coordinar ...................... 62Figura 28. Caracterstica del esquema de proteccin coordinado ......................... 67Figura 29. Resultados Aplicativo Riesgo Elctrico ................................................ 69Figura 30. Etiqueta generada por el Aplicativo de Riesgo Elctrico ...................... 69
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Figura 31. EPP recomendado para labores en M_26 (1) ...................................... 70Figura 32. EPP recomendado para labores en M_26 (2) ...................................... 71
Figura 33. EPP recomendado para labores en M_26 (3) ...................................... 72Figura 34. Anexos DIgSILENT .............................................................................. 73Figura 35. Importacin de archivo en DIgSILENT ................................................. 74Figura 36. Disposicin IEC 909 Example 3 ........................................................... 74Figura 37. Disposicin del DPL en biblioteca de inters ....................................... 75Figura 38. Opciones para clculo de cortocircuito ................................................. 75Figura 39. Ejecucin del DPL ................................................................................ 76Figura 40. Error ejecucin DPL ............................................................................. 76Figura 41.Configuracion separadores Excel ......................................................... 77Figura 42. Magnitudes Exportadas a Excel ........................................................... 77Figura 43. Bsqueda de archivo para importacin de datos ................................. 78Figura 44. Archivo con datos exportados .............................................................. 78Figura 45. Importacin adecuada de datos al Aplicativo ....................................... 79Figura 46. Todos los datos importados al Aplicativo ............................................. 79Figura 47. Insumos del Aplicativo para clculo segn NFPA 70E ......................... 81Figura 48. Insumos del Aplicativo para clculo segn IEEE 1584 ......................... 82Figura 49. Insumos del Aplicativo para clculo segn Mtodo Genrico .............. 83Figura 50. Ver Recomendaciones ......................................................................... 83Figura 51.Formulario de Recomendaciones ......................................................... 85
Figura 52. Etiqueta de advertencia ........................................................................ 85Figura 53.Ver Recomendaciones .......................................................................... 86Figura 54. Informacin detallada de los EPP ........................................................ 87
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Ecuaciones curvas IEC 60255 ................................................................ 26Tabla 2. Ecuaciones curvas IEEE Std 112-1996 ................................................... 26Tabla 3. Error tpico entre rels de diferente tecnologa ........................................ 29Tabla 4. Alcance Estndar IEEE 1584-2002 ......................................................... 32Tabla 5. Mtodo de clculo Estndar IEEE 1584-2002 ........................................ 33Tabla 6. Mtodo de clculo Estndar NFPA 70E .................................................. 34Tabla 7. Mtodo de clculo Genrico .................................................................... 36Tabla 8. Barras IEC 909Example 3 ................................................................... 55
Tabla 9. Motores Asncronos IEC 909Example 3 .............................................. 55Tabla 10. Red Externa IEC 909Example 3 ........................................................ 56Tabla 11. Transformadores IEC 909Example 3 ................................................ 56Tabla 12. Modos de Operacin ............................................................................. 59Tabla 13. Resultado de simulacin de cortocircuito en barraje y transformadores 60Tabla 14. Condiciones falla en M_26 .................................................................... 68Tabla 15. Resultados Aplicativo Riesgo Elctrico ................................................. 68
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GLOSARIO
Arco Elctrico: Descarga elctrica que se forma entre dos electrodos sometidos a
una diferencia de potencial y colocados en el seno de una atmsfera gaseosa
enrarecida, normalmente a baja presin, o al aire libre.
Condiciones Inusuales de Operacin: En un sistema elctrico de potencia se
presentan cuando este se encuentra fuera de los rangos especificados para su
operacin ptima, pueden deberse a causas externas como descargas
atmosfricas que afectan el sistema o fallas elctricas en los elementos que loconforman.
Coordinacin de Protecciones: Se refiere al ajuste que se realiza sobre los
elementos de proteccin en un sistema elctrico para proporcionar selectividad
cuando se requiera aislar una falla. El objetivo principal es la proteccin del equipo
y el aislamiento selectivo de la falla.
Curva Caracterstica: Diagrama en el que se describe el funcionamiento de un
elemento de proteccin respecto a sus tiempos de actuacin y la corriente de falla.
DIgSILENT PowerFactory: Es una herramienta integrada de anlisis de
sistemas elctricos que combina confiabilidad y flexibilidad en el modelado de
elementos, con los algoritmos de solucin en conjunto con un concepto nico de
manejo de base de datos.
Distancia de Seguridad: Distancias mnimas que deben guardarse entre lneas
elctricas y elementos fsicos existentes a lo largo de su trazado con el objeto deevitar contactos accidentales.
Falla Elctrica: Es cualquier corriente elctrica anormal que genera condiciones
anormales en un sistema determinado.
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Proteccin de Sobrecorriente: Es la proteccin con selectividad relativa que
reacciona ante el aumento de la electricidad en un elemento protegido.
Rel de Proteccin: Es un interruptor controlado por un circuito elctrico o
electrnico en el que, por medio de un mecanismo magntico, ptico o digital
accionan un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros
circuitos elctricos independientes.
Sistema de Potencia: Es un sistema de suministro elctrico cuyos niveles de
tensin son iguales o superiores a los 132 kV, (este valor depende de cada pas).
Estos sistemas elctricos se los denomina tambin de alta tensin o extra altatensin, o sistemas elctricos de transmisin o red elctrica de transporte.
Sistema de Proteccin: Se implementanpara evitar la destruccin de equipos o
instalaciones por causa de una falla que podra iniciarse de manera simple y
despus extenderse sin control en forma encadenada.
Sistema de Teleproteccin: Sistema de comunicacin entre protecciones
elctricas que permite desconectar la parte afectada mediante la transmisin de
seales en el menor tiempo posible.
Transformadores de Instrumentacin: Estn diseados para poder medir
tensiones e intensidades elevadas por aparatos de medida como voltmetros,
ampermetros y rels de proteccin. Adems, garantizan la seguridad del personal
tcnico que tiene que realizar las mediciones al tener las bobinas aisladas.
http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_suministro_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_suministro_el%C3%A9ctrico -
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RESUMEN DEL PROYECTOEl proyecto busca desarrollar propuestas y herramientas computacionales bsicas
tiles para el anlisis del arco elctrico en un sistema de potencia teniendo en
cuenta las metodologas que se han desarrollado alrededor de este fenmeno,
para servir de fundamentacin en estudios detallados de riesgo, tanto de operarios
como de los equipos de potencia involucrados y buscar reducir el impacto
entorno al desarrollo del arco elctrico por medio de la coordinacin de las
protecciones elctricas de sobrecorriente.
PALABRAS CLAVES: ARCO ELCTRICO; COORDINACIN DE
PROTECCIONES; PROTECCIONES ELCTRICAS DE SOBRECORRIENTE;
METODOLOGAS PARA EL CLCULO DEL ARCO ELCTRICO.
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INTRODUCCIN
Debido a la necesidad de garantizar la proteccin prioritaria de operadores como
de equipos elctricos, se hace necesario la utilizacin de las protecciones
elctricas como medida preventiva ante los posibles riesgos a los que se
encuentran expuestos los operadores por consecuencias del arco elctrico, al
igual que la prevencin de daos en los equipos de potencia debido a su alto
coste.
Por lo tanto en el desarrollo de este documento se recopilaran los elementosnecesarios para cubrir dicha necesidad, partiendo desde el anlisis de las fallas
elctricas como causales del arco elctrico, los sistemas de proteccin como
medida preventiva ante dichas fallas y la coordinacin de protecciones como
mecanismo para una adecuada operacin de los sistemas de proteccin.
Se finalizara esta recopilacin analizando el fenmeno del arco elctrico a partir de
las metodologas desarrolladas entorno al clculo de la energa incidente, logrando
interiorizar la naturaleza del arco y la importancia de contar con los equiposadecuados de proteccin personal.
Por ltimo se presentara la herramienta desarrollada en pro de una mayor
sensibilizacin y capacitacin del personal tcnico como de las personas
encargadas de supervisar y planear dichas labores con el fin de disminuir la
vulnerabilidad del personal ante el fenmeno del arco elctrico.
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OBJETIVOS
Objetivo General Propuesto
Realizar estudios sobre el arco elctrico y proponer soluciones bsicas para
disminuir el riesgo al que se encuentran expuestos los operadores y los
equipos de potencia por consecuencias del arco elctrico, mediante la
implementacin del aplicativo para el clculo del riesgo elctrico y estimacin
de EPP.
Objetivos Especficos Propuestos
Seleccionar una red industrial tpica (red tipo benchmark) para disear un
estudio de coordinacin de protecciones, que sirva como base de anlisis para
la mitigacin del impacto del arco elctrico.
Elaborar los escenarios de operacin que representen de manera conveniente
el comportamiento elctrico durante cortocircuitos en redes industriales con el
fin de simular las corrientes de falla involucradas en situaciones anmalas de la
red tipo benchmarkseleccionada.
Proponer la ubicacin y los ajustes de las protecciones de sobrecorriente
mediante el anlisis de las caractersticas tpicas de los rels a travs de las
ecuaciones que las definen, para garantizar la preservacin de la red elctrica
y de los operarios.
Proponer un modelo bsico de clculo del riesgo elctrico en una red industrial,
involucrando aspectos como la energa incidente involucrada durante unevento de cortocircuito a travs de las metodologas y estndares
internacionales desarrollados entorno al fenmeno del arco elctrico.
Desarrollar un cdigo en DIgSILENT PF empleando el lenguaje de
programacin DPL (DIgSILENT Programmable Language) con el fin de
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exportar las magnitudes de cortocircuito y emplearlas en el clculo del arco
elctrico.
Analizar si es posible disminuir dicha magnitud sin desatender la coordinacin,
buscando salvaguardar la integridad de los operarios.
Elaborar y almacenar todos los grficos que ilustren una coordinacin
adecuada de los elementos de proteccin de sobrecorriente utilizados.
Elaborar y Programar un aplicativo para calcular, visualizar, analizar y
comparar las magnitudes de arco elctrico calculadas a travs de C Sharp.
Elaborar un manual de usuario donde se ilustre el procedimiento para integrar
los software empleados, las opciones con las que contar el usuario, elcontexto y las facilidades que brindara el aplicativo.
Editar un video tutorial donde se ilustre el funcionamiento y la interaccin entre
los cdigos y los software empleados.
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ALCANCE
Con este proyecto se espera desarrollar propuestas y herramientas
computacionales bsicas tiles para estudios de riesgo por arco elctrico en una
red industrial. Se har nfasis en la influencia del arco elctrico y el peligro en s
que este fenmeno representa, procurando la integridad del operador.
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1. FALLAS ELCTRICASLas fallas elctricas son eventos de tipo aleatorio que traen consigo condiciones
inusuales de operacin que pueden ser manifestadas como alteraciones sbitas
en los niveles de tensin, corriente o frecuencia, las principales causas de las
fallas varan de sistema a sistema y entre niveles de tensin, tambin tienen una
relacin directa con el ambiente al que se encuentra expuesto el sistema elctrico.
1.1 Fallas propias al sistema de potencia
- Fallas en paralelo o derivacin (Cortocircuito a tierra o entre fases).
- Fallas en serie (Apertura de la conexin)
- Fallas serieparalelo
Teniendo en cuenta la cantidad de fases involucradas y la periodicidad de
ocurrencia algunos pases con niveles cerunicos moderados poseen los
siguientes datos estadsticos (1):
- Fallas monofsicas 72% (Generalmente causadas por rayos).
- Fallas bifsicas 22% (Muy comunes en zonas contaminadas).
- Fallas trifsicas 6% (Aparecen entre otras con el uso de equipos trifsicos).
Aunque no es muy comn que se presente, las fallas propias al sistema de
potencia suelen estar asociadas tanto al envejecimiento del aislamiento de los
equipos como a la degradacin o falta de mantenimiento de los mismos.
1.2 Fallas ajenas al sistema de potencia
Su ocurrencia es ajena a condiciones anormales de corriente, tensin, frecuencia
entre otras variables, sus principales causas son errores en el cableado, ajustes
indebidos o errores humanos (violacin de las distancias mnimas de seguridad).
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Este tipo de fallas se asocian comnmente a los elementos del sistema protegidos
por protecciones mecnicas las cuales tienden a operar sin existir una falla real en
el equipo.
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2. ZONA DE PROTECCIN
La seguridad requerida de los rels de proteccin, es definida en trminos de
regiones del sistema de potencia de las cuales son responsables.
El sistema de potencia se puede dividir en las siguientes zonas:
- Generadores- Motores- Transformadores- Barrajes
- Lneas de transmisin
Las zonas de proteccin deben definirse teniendo en cuenta que:
- Todos los elementos del sistema de potencia deben estar en al menos unazona de proteccin.
- Las zonas de proteccin deben traslaparse.
Las zonas de proteccin pueden ser abiertas o cerradas tambin denominadas
relativa o absolutamente selectivas y su delimitacin consiste entre otros aspectos
en la posibilidad de aislar las fallas de una manera selectiva sin involucrar el resto
del sistema.
Figura 1. Zonas de proteccin
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El alcance y demarcacin de las zonas es determinada por los transformadores de
instrumentacin que son los dispositivos que reproducen las seales (tensin y
corriente) del sistema de potencia para alimentar los rels de proteccin con los
niveles adecuados. La zona de traslape se logra entonces instalando
transformadores de instrumentacin a ambos lados del interruptor (2).
2.1 Proteccin Principal
Son las encargadas de proteger la zona de proteccin en la cual se encuentran
ubicados, actuando cuando ocurre un evento en el elemento correspondiente. Es
decir cuando ocurre una falla dentro de una zona, sus rels principales deben
disparar todos los interruptores de la zona, y slo esos interruptores. Por lo tanto
es aquella que acta de forma ms rpida y que desconecta la menor cantidad de
elementos.
2.2 Proteccin de Respaldo (Back Up)
Es aquella que acta de forma retardada y desconecta una mayor cantidad de
elementos, el costo (econmico) de esta proteccin de respaldo puede serjustificado teniendo en cuenta:
La probabilidad de falla de cada elemento de la cadena.
La importancia del sistema elctrico que se desea proteger.
La probabilidad de ocurrencia de la falla.
El costo que representa que el sistema salga de operacin.
La proteccin de respaldo se emplea comnmente para la proteccin contra
cortocircuitos y existen dos formas bsicas de proteccin de respaldo.
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2.3 Respaldo Remoto
En este esquema, los interruptores y las protecciones que se encuentran en lassubestaciones vecinas cumplen tambin funciones de respaldo, un ejemplo tpico
es el respaldo remoto para la proteccin de barras, realizada por la segunda zona
de las protecciones de distancia de las lneas en las estaciones vecinas (1).
2.4 Respaldo Local
Cuando un sistema de potencia se extiende, se encuentran usualmente que el
respaldo remoto no es satisfactorio debido a que resulta en tiempos de despeje defalla muy prolongados, falta de selectividad en el disparo y dificultades en obtener
ajustes lo suficientemente sensibles para cubrir ciertas fallas en lneas
adyacentes. Por lo tanto se opt por introducir respaldos locales los cuales se
encuentran en la misma subestacin (1).
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3. CRITERIOS DE OPERACIN Y DISEO DE SISTEMAS DEPROTECCIONES
En la actualidad muchos fabricantes y autores han establecido ciertos criterios
para garantizar una operacin correcta y eficiente de los sistemas de proteccin.
A continuacin mencionaremos las ms relevantes.
3.1 Confiabilidad
Se entiende por confiabilidad de la proteccin la probabilidad de que sea segura y
fiable; es decir la probabilidad de no tener una operacin incorrecta. Generalmentehay un compromiso entre la seguridad y la fiabilidad.
Alta fiabilidad y alta seguridad significan alta confiabilidad.
3.2 Fiabilidad
Se entiende por fiabilidad de la proteccin la probabilidad de no tener una omisin
de disparo. La peor de las operaciones incorrectas es normalmente la falla u
omisin de disparo durante un cortocircuito, lo cual puede ser debido a una falla
en el sistema de proteccin o del interruptor y usualmente lleva a problemas de
estabilidad y apagones. Seguramente el dao en los equipos ser de
consideracin por lo prolongado de la permanencia de la falla.
3.3 Seguridad
Se entiende por seguridad de la proteccin la probabilidad de no tener un disparo
indeseado, es muy importante que el sistema de proteccin opere selectivamenteya que es an ms severo un disparo indeseado en un elemento adyacente al
fallado, esta condicin es denominada disparo no selectivo (1).
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3.4 Selectividad
La selectividad en un sistema de proteccin garantiza la mxima continuidad delservicio en el sistema con la desconexin mnima de elementos al presentarse un
evento de falla. Los elementos de proteccin slo deben aislar la parte del sistema
que se ve comprometida por el evento y evitar el corte superfluo de cualquier otro
elemento.
3.5 Velocidad de operacin
Es el mnimo tiempo requerido para el despeje de la falla, y es un criterio de granpreponderancia ya que a menor tiempo, menor es el dao que pueden sufrir los
equipos o sus aislamientos al igual que la inestabilidad que se presenta en el
sistema y supone ciertamente un menor riesgo para el personal que pueda estar
expuesto al evento.
3.6 Simplicidad
Se define como simplicidad, el empleo del menor nmero de dispositivos en el
sistema de protecciones para cumplir con los objetivos de dicho esquema.
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4. ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES ELCTRICAS
Los sistemas de proteccin se basan principalmente en censar las variables que
intervienen directamente en el sistema de potencia asociado, mediante elementos
de medicin tales como transformadores de corriente y de potencial,
suministrando las seales a dispositivos anlogos o digitales que procesan dicha
informacin y clasifican las condiciones de operacin en la cual se encuentra el
sistema. Si el dispositivo detecta una condicin de falla, acta teniendo en cuenta
que la actuacin de estos dispositivos no incurren siempre en la apertura de los
interruptores asociados, ya que algunos de estos dispositivos poseen funciones de
bloqueo entre otras funciones primordiales para el correcto funcionamiento del
esquema de proteccin.
Los sistemas actuales de proteccin utilizan esquemas de teleproteccin que
permiten la comunicacin e interaccin entre diferentes elementos de proteccin,
como se puede apreciar en la Figura 2 se muestra el esquema de teleproteccin
para una lnea de transmisin y la interaccin que existe entre las protecciones
ubicadas a ambos extremos de la lnea, al igual que el alcance de las mismas
Figura 2.Esquema de teleproteccin empleado en protecciones distancia.
FUENTE: IEEE C37113. 1999
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5. PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE ANSI 50/51
Las protecciones de sobrecorriente son ampliamente utilizados para la proteccin
de circuitos radiales, redes industriales y lneas de subtransmisin debido a su
simplicidad y relativa eficiencia. Como su nombre lo indica su funcin es proteger
contra incrementos sbitos en la magnitud de la corriente (cortocircuitos) y
sobrecargas pesadas.
Como tal la funcin implementada en los rels mide la componente de las
corrientes de fase y es sensible al valor ms alto de estas tres corrientes, siempre
y cuando este valor supere el ajuste de activacin previamente configurado parauna etapa en particular, sta es activada y enva una seal de arranque, la cual
incurrir en una seal de disparo si la falla contina transcurrido el retardo de
operacin ajustado.
Existen por lo general tres etapas de sobrecorriente que se ajustan de manera
independiente, aunque todo depende de la clase de rel y del fabricante que lo
provee.
La primera etapa es configurada para la operacin de tiempo inverso (ANSI 51), la
segunda y la tercera etapa estn configuradas para la operacin de tiempo
definido, al utilizar un retardo definido y al ajustar dicho retardo en su mnimo valor
obtenemos una operacin instantnea (ANSI 50).
Dichas etapas son expuestas en la Figura 3.
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Figura 3.Caracterstica tpica de rels de proteccin de sobrecorriente
La operacin de tiempo inverso establece que a determinada magnitud de
corriente (I) durante un tiempo transcurrido (t) la proteccin actuar, dependiendo
del tipo de curva establecida por los estndares IEC o ANSI/IEEE y configurada en
el dispositivo. Las frmulas que definen las curvas de los estndares
anteriormente mencionados y las curvas establecidas por los mismos, se
presentan a continuacin (3):
Tabla 1. Ecuaciones curvas IEC 60255 Tabla 2. Ecuaciones curvas IEEE Std 112-1996
FUENTE:Network Protection & Automation Guide (3)
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Figura 4. Grficas de curvas IEC 60255 Figura 5. Grficas de curvas IEEE Std 112-1996
FUENTE:Network Protection & Automation Guide (3)
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6. COORDINACIN DE PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE
La coordinacin de protecciones implica un conocimiento amplio sobre el sistema
elctrico que se busca proteger, al igual que los elementos que lo componen, las
magnitudes de tensin y corriente nominales establecidos para los diferentes
escenarios de operacin al igual que los niveles mnimos y mximos de
cortocircuito a partir de los cuales se asumen criterios para ajustar los elementos
de proteccin.
Figura 4.Secuencia de pasos para la coordinacin de sistemas de proteccin
FUENTE: The Escalating Arcing Ground Fault Phenomeno
Por lo tanto para la coordinacin de protecciones en un sistema elctrico seseguirn los siguientes pasos.
Caracterizar el sistema de potencia a proteger.
Identificar los posibles escenarios de operacin que puede experimentar el
sistema de potencia a partir de datos suministrados.
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Calcular los ajustes necesarios en los dispositivos de proteccin. Teniendo
en cuenta las caractersticas funcionales de los rels o interruptores
asociados.
Coordinar los ajustes de las protecciones buscando garantizar los criterios
de confiabilidad, selectividad y simplicidad requeridos por el sistema
elctrico asociado.
Probar los ajustes realizados y afinar el modelo.
Otro aspecto a considerar concerniente a la coordinacin de protecciones es el
margen de error de los dispositivos lgicos o rels, los cuales dependendirectamente del tipo de tecnologa del mismo.
Tabla 3. Error tpico entre rels de diferente tecnologa
FUENTE: Network Protection & Automation Guide (3)
Con respecto al tiempo de espaciamiento a dejar entre curvas de proteccin el
margen oscila entre 100ms y 400ms, mientras que el espaciamiento en magnitud
de corriente est en promedio en 1.2 p.u. dependiendo de la tecnologa
empleada.
Generalmente estos tiempos de coordinacin dependen de cada equipo y son
establecidos por el fabricante, sin embargo prevalece el criterio del ingeniero
encargado del diseo del sistema quien posee la experiencia necesaria para
ajustar dichos elementos.
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7. ARCO ELCTRICO
Un arco elctrico es una descarga que se mantiene por s misma en una
atmsfera gaseosa. Esta descarga se origina por la ionizacin del gas y produce
un enlace elctrico conductor entreelectrodos de diferente potencial, con diferente
relacin de fases o entre una de estas fases y tierra.
Los arcos elctricos no aparecen solo en cortocircuitos, sino tambin en acciones
de desconexin o interrupcin de circuitos elctricos bajo corriente (fusibles,
interruptores, cables, conexin de cables, puntos de fijacin) si no se toman
precauciones especiales. Tambin estos arcos elctricos de conexin pueden
provocar arcos elctricos. Sin embargo las mayores energas se liberan en caso
de arcos elctricos por cortocircuito.
Mientras que en el sector de baja tensin se necesita antes de un cortocircuito
galvnico para que se produzca un arco elctrico, en el sector de alta tensin solo
el hecho de no mantener la correspondiente distancia de aire a las piezas que se
encuentran bajo tensin es suficiente para el surgimiento de un arco elctrico(descarga disruptiva o contorneo). (4)
Los arcos elctricos representan un riesgo de consideracin teniendo en cuenta la
exposicin al calor excesivo, explosin y enormes rfagas de presin que genera,
funde los materiales de los equipos, los cuales son expulsados como partculas y
pueden producir quemaduras severas incluso fatales.
7.1 Riesgos por arco elctrico
Los riesgos de exposicin a arcos elctricos contemplan:
Perdida de la visin o ceguera momentnea, un arco elctrico produce un
destello de luz brillante y emite rayos ultravioleta e infrarrojos, los cuales
pueden producir quemaduras a los ojos y la piel.
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Peligro de choque elctrico debido al contacto de conductores energizados.
Vapores calientes y gases que pueden alcanzar hasta 23.000 F.
Ondas sonoras que producen daos en el sistema auditivo, producidas por
un aumento sbito de la presin, emitiendo sonidos de hasta 140 dB.
El arco elctrico no solo tiene una alta temperatura, sino tambin una onda
de presin de hasta 0.3 MPa, que equivale a una presin de 30T/m 2.
Debido a la alta presin que se presenta, un arco elctrico puede contener
metal fundido u objetos que se desprenden de celdas, las cuales viajan aaltas velocidades. (5)
7.2 Factores que inciden en la iniciacin del arco elctrico
Deslizamiento de las herramientas del electricista, disminucin de ladistancia de tensin disruptiva.
Conexiones sueltas, que causan sobrecalentamientos y formacionesmenores de arcos.
Falla en el aislamiento debida a conduccin por polvo conductivo en lasuperficie del aislador o por rupturas en el cuerpo del aislador.
Los gases conductores que son emanados de interruptores automticos ofusibles durante la interrupcin del circuito.
Falla en la interrupcin de un cortocircuito, por un interruptor automtico oun fusible.
Condensacin de vapor y goteo de agua pueden causar camino en lasuperficie de los materiales aislantes.
Mala utilizacin o diseo de los equipos.
La corrosin o acumulacin de residuos.
Transitorios de tensin.
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Sobrecarga de corriente. (6)
La iniciacin del arco elctrico no necesariamente produce graves consecuencias,bajo ciertas circunstancias fsicas y de operacin especficas, el arco tiende a
auto-extinguirse. No obstante, bajo otras circunstancias el arco puede ser
autosostenido y por lo tanto es necesario que los dispositivos de proteccin
operen de manera efectiva.
7.3 Estndar IEEE 1584-2002
Contiene mtodos de clculos que permiten un anlisis profundo y una completa
solucin para fallas de arco elctrico en sistemas monofsicos y trifsicos, al aire
libre o en sistemas trifsicos de recintos cerrados como celdas de media o baja
tensin.
Los mtodos de clculo fueron generados a partir de pruebas realizadas por un
grupo de trabajo de IEEE destinadas a reproducir los modelos de la energa
incidente. Basados en los niveles normalizados para la seleccin de elementos de
proteccin personal, se estim que un elemento de proteccin personal es
adecuado o ms que adecuado si protega contra quemaduras de segundo grado
el 95% de las veces. Las ecuaciones que se aprecian en la Tabla 5, estn
basadas en resultados de pruebas aplicadas bajo las condiciones expuestas en la
Tabla 4.
Tabla 4.Alcance Estndar IEEE 1584-2002
Parmetro Condicin
Voltaje 208 - 15000 v, trifsico
Frecuencias 50 a 60 HzCorriente de falla mxima 700 - 106000 ATipo de Tierra No aterrizado, Aterrizado, Alta resistencia a tierra.Tipo de equipo (envolvente) Cerrado, Abierto, Cables
Espacios entre conductores 13mm - 152mm
Fallas Trifsicas
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Tabla 5. Mtodo de clculo Estndar IEEE 1584-2002
FUENTE: Arc flash: Estimation of thermal incident energy on worker
Dnde:
E, energa calorfica incidente (cal/cm2)
En, energa calorfica incidente normalizada (J/cm2)
G, distancia entre conductores (mm)
Cf, factor de clculo: 1.0 para voltajes mayores a 1kV y 1.5 para voltajes 1 kV
V, tensin nominal (kV)
Ibf, corriente de falla (kA)
D, distancia de trabajo (mm)
t, tiempo de duracin del arco (s)
K, K1, K2,constantes dependientes de si es un sistema con tierra, sin tierra o con tierra dealta impedancia.
El modelo que define el lmite de proteccin propuesto por el estndar se derivaempricamente de la siguiente expresin:
[ ( ) ( )]
Dnde:
DB, Es la distancia de frontera de proteccin contra arco (mm)
Cf, factor de clculo: 1.0 para voltajes mayores a 1kV y 1.5 para voltajes 1 kV
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En, energa incidente normalizada.
E, energa incidente en J/cm2a
t,tiempo de duracin del arco (s)
x,factor de distancia.
Ibf, corriente de falla (kA)
7.4 Estndar NFPA 70E
La NFPA 70E es una metodologa muy adecuada cuando se dispone de
informacin limitada de los parmetros del sistema. La evaluacin asume el peor
de los casos, que se presenta cuando la impedancia de falla es cero; supone que
la corriente del arco elctrico es igual a la corriente mxima de falla, esta
suposicin es buena para sistemas superiores a 600V. (5)
El mtodo de calcula desarrollado por esta metodologa se presenta a
continuacin:
Tabla 6. Mtodo de clculo Estndar NFPA 70E
FUENTE: Arc flash: Estimation of thermal incident energy on worker
Dnde:
E, energa calorfica incidente (cal/cm2)
D, distancia de trabajo (pulgadas)
Ibf, corriente de falla (kA)
t, tiempo de duracin del arco (s). Para las lneas y cables elctricos, este tiempo, sederiva del tiempo de corte de los dispositivos de proteccin de la lnea.
, flujo de calor radiado (cal/(cm2s)).
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El lmite de proteccin definido por el estndar comprende una serie de zonas o
fronteras de proteccin relativas a la seguridad elctrica.
Figura 5. Fronteras de proteccin contra arco elctrico
FUENTE: Estudio de arco elctrico en la planta industrial SANDWELL
La frontera de proteccin contra arco es definida como la distancia mnima desde
la fuente de arco hasta el punto donde la energa incidente en caso de presentarse
una falla de arco elctrico seria de 5 J/cm2 1.2 cal/cm2, energa suficiente para
producir una quemadura curable de segundo grado para una persona que se
encuentra expuesta, sin ninguna clase de proteccin contra arco. Esta distancia
vara dependiendo de la corriente de falla disponible en el momento de la falla y
del tiempo de despeje del dispositivo de proteccin aguas arriba. (5)
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Dnde:
DB, Es la distancia de frontera de proteccin contra arco (pulgadas)
V, Es la tensin nominal del sistema lnea-lnea (kV)
Ibf, corriente de falla (kA)
t,tiempo de duracin del arco (s)
7.5 Mtodo Genrico
Este mtodo es vlido para predecir la energa incidente en arcos trifsicos que se
presenten al aire abierto o en celdas, es vlido para tensiones superiores a 600V y
slo se considera el arco elctrico trifsico al aire libre.
El mtodo de clculo desarrollado por esta metodologa se presenta en la Tabla 7.
Tabla 7.Mtodo de clculo Genrico
FUENTE: Arc flash: Estimation of thermal incident energy on worker
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8. EQUIPOS DE PROTECCIN PERSONAL, MTODOS DE SEGURIDAD YNUEVAS ESTRATEGIAS
8.1 EQUIPO DE PROTECCIN PERSONAL (EPP)
Para la especificacin de los EPP, se debe tener en cuenta las siguientes normas,
que aplican para el material de los mismos:
IEC 61482: La cual establece procedimientos para evaluar y clasificar el
material utilizado para los vestidos anti-flamas, que pueden estar expuestos a
arco elctrico.
Para especificar individualmente los EPP, se podr hacer uso de las normas
especificadas en la NFPA 70E, la cual discrimina elemento por elemento.
Proteccin de la cabeza: ANSI Z89.1
Proteccin de los ojos y cara: ANSI Z87.1
Guantes: ASTM D 120-02
Mangas: ASTM D 1051-02
Calzado: ASTM F 1117-98
Guantes y mangas: ASTM F 496-02
Inspeccin visual: ASTM F 1236-01
Productos de proteccin facial: ASTM F 2178-02
Ropa: ASTM F 1506-2a
Para la demarcacin de las zonas de trabajo y etiquetado de equipos, se podr
hacer uso de las normas ANSI, de la serie Z535. (5)
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Figura 6. Clasificacin del Riesgo y eleccin de los EPP
FUENTE: Seguridad con la electricidad, lesions por arco electrico
Todo equipo peligroso instalado o modificado despus de 2002, tiene que llevar
una etiqueta de advertencia. El equipo no es etiquetado por el fabricante sino por
la empresa donde funciona el equipo debido a las configuraciones en las que
pueda estar instalado o el circuito en el que se encuentre dispuesto.
Informacin ubicada en la etiqueta:
Tipo/Nombre del equipo
Voltaje
Corriente de formacin de mximo arco elctrico disponible
Conexin a tierra
Distancia normal para realizar el trabajo
Energa incidente
Lmite de proteccin contra el arco elctrico
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Lmite de aproximacin limitado
Lmite de aproximacin restringido
Lmite de aproximacin prohibido
Nivel de EPP / Categora de Peligro
Ropa protectora tpicamente llevada
ndice de voltaje requerido para los guantes
8.1.1 Categora Nivel 0
Requerido cuando los niveles de energa del arco elctrico son iguales a 2 cal/cm 2
o menores y a una distancia de 18 pulgadas de la fuente del arco elctrico.
Ropa no fundente
Camisa de mangas largas
Pantalones largos
Lentes de seguridad
Tapones auditivos
Guantes de cuero
8.1.2 Categora Nivel 1
Requerido cuando los niveles de energa del arco elctrico alcanzan los 4 cal/cm 2
a una distancia de 18 pulgadas de la fuente del arco elctrico.
Ropa ignifuga
Camisa de Mangas Largas con certificacin para arco
Pantalones largos con certificacin para arco
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Overoles con certificacin para arco
Mascaras protectores con certificacin para arco Chaqueta con certificacin para arco
Casco de seguridad
Lentes de seguridad
Tapones auditivos
Guantes de cuero
Zapatos de trabajo de cuero
8.1.3 Categora Nivel 2
Requerido cuando los niveles de energa del arco elctrico alcanzan los 8 cal/cm2
a una distancia de 18 pulgadas de la fuente del arco elctrico.
Ropa ignifuga
Camisa de Mangas Largas con certificacin para arco
Pantalones largos con certificacin para arco
Overoles con certificacin para arco
Mascaras protectores con certificacin para arco
Chaqueta con certificacin para arco
Casco de seguridad
Manual para el instructor
Lentes de seguridad
Tapones auditivos
Guantes de cuero
Zapatos de trabajo de cuero
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8.1.4 Categora Nivel 3
Requerido cuando los niveles de energa del arco elctrico alcanzan los 25 cal/cm2
Chaqueta del traje de proteccin contra los arcos elctricos con certificacinpara arco.
Pantalones del traje de proteccin contra los arcos elctricos concertificacin para arco.
Protector facial de la capucha del traje de proteccin contra los arcoselctricos con certificacin para arco.
Chaqueta con certificacin para arco
Casco de seguridad
Funda ignifuga para el casco de seguridad
Lentes de seguridad
Tapones auditivos
Guantes de cuero con certificacin para arco
Manual para el instructor
Zapatos de trabajo de cuero
8.1.5 Categora Nivel 4
Requerido cuando los niveles de energa del arco elctrico son iguales a
25 cal/cm2 o mayores.
Ropa ignifuga
Camisa de Mangas Largas con certificacin para arco
Pantalones largos con certificacin para arco
Overoles con certificacin para arco
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Chaqueta del traje de proteccin contra los arcos elctricos con certificacinpara arco.
Pantalones del traje de proteccin contra los arcos elctricos concertificacin para arco
Protector facial de la capucha del traje de proteccin contra los arcoselctricos con certificacin para arco
Una chaqueta con certificacin para arco
Caso de seguridad (Capucha)
Funda interior ignifuga para el casco de seguridad
Lentes de seguridad
Tapones auditivos
Guantes de cuero con certificacin para arco
Zapatos de trabajo de cuero
Manual para el instructor
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8.2 MTODOS DE SEGURIDAD DEL PERSONAL OPERATIVO
Panoramas De Riesgo
Es un documento en el cual se informa a los operadores de los requerimientos del
trabajo a desarrollar. Particularmente, se emplea para prevenirlos de riesgos
potenciales. Segn las normas OSHA el panorama de riesgo debe incluir.
Riesgos asociados al trabajo.
Precauciones especiales a tomar.
Procedimientos de control de energa.
EPP.
Cundo se deben emplear panoramas de riesgo?
Al comenzar un turno de trabajo.
Al realizar una tarea nueva.
Al presentarse una modificacin en el entorno.
Cuando se requiera personal adicional para la finalizacin de un trabajo en
ejecucin.
Trabajo en Circuitos Energizados o Desenergizados
Toda normatividad regulatoria sobre seguridad elctrica, es clara en su
requerimiento de desenergizar un circuito antes de la realizacin de trabajos en
este por parte del personal.
Se establece que todos los circuitos y sus componentes a los cuales los
operadores puedan estar expuestos, se deben desenergizar antes de comenzar
cualquier trabajo.
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Lo anterior basado en:
Todo trabajo o labor que se realice en circuitos energizados y que puedanser replanteados de forma que su realizacin se haga con el circuito
desenergizado, se debe llevar a cabo de esta manera.
La disminucin o prdida de produccin no es una razn aceptable para
permitir el trabajo en circuitos energizado.
Los trabajos de reparacin se deben realizar en lo posible con los circuitos
desenergizados.
El operador debe tomar la decisin de desenergizar o no el circuito, siendo
esta decisin libre de cualquier tipo de repercusin por parte de los
supervisores.
Aumento de la distancia de trabajo
Se parte del hecho que la energa incidente es inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia al punto posible de arco. La distancia puede ser reducida
empleando dispositivos de operacin remota y herramientas de extensin como
prtigas. (9)
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8.3 NUEVAS ESTRATEGIAS PARA LA MITIGACIN DE FALLAS
ELCTRICAS
Cuchilla de Puesta a Tierra Rpida
El sistema funciona segn el principio de que la liberacin incontrolada de energa
producida por un arco interno se impide mediante una rpida puesta a tierra
trifsica. Este tipo de conexin, que se caracteriza por una impedancia muy baja,
hace que la corriente de cortocircuito de una avera por formacin de arco se
conmute inmediatamente al interruptor de puesta a tierra de accin rpida y
apague el arco.
(UFES: Ultra Fast Earthing Switch) contiene tres elementos de conmutacin
primarios completos y una unidad de disparo rpido adems consta de una
cmara de vaco de dos partes encapsulada en resina epoxi para protegerla del
entorno. La deteccin se hace por monitoreo de luz y corriente, el tiempo de
conmutacin es menor a 1.5ms y el tiempo de extincin aproximadamente menor
a 4ms (8).
Figura 7. Principio de funcionamiento
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Figura 8. Secuencia de eventos
FUENTE: ABB. Ultra-Fast Earthing Switch (8)
En la figura anterior podemos observar en primera instancia la formacin del arco,
el dispositivo electrnico opera y la falla presentada es detectada, al ser detectada
la falla se emite la seal de disparo que es enviada a los elementos de
conmutacin del UFES.
Emitida la seal de conmutacin se realiza la conexin a tierra trifsica metlica a
travs de los elementos de conmutacin, en esta instancia se realiza la extincin
inmediata del arco y por ltimo se deja de alimentar la falla conmutando el
interruptor aguas arriba de la falla.
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Fibra ptica
Un mtodo novedoso emplea la fibra ptica como detector de flameo. La fibraptica puede tener longitudes superiores a los 60m. Se emplean fibras plsticas
con un recubrimiento de vidrio y se distribuyen a travs de todos los
compartimientos de alta tensin, donde pueda haber peligro potencial de
ocurrencia de arco.
Cuando la fibra sea expuesta a un arco, el rpido incremento de la intensidad de la
luz ser detectado por el rel. No se necesita de cables galvanizados o fotoceldas
en los compartimientos de alta tensin. La sensibilidad del rel a la luz puede serajustada manualmente o controlada automticamente.
En la Figura 11 se presenta el diagrama de bloques que ilustra la dinmica
utilizada con el fin de emplear la fibra ptica en un esquema de proteccin para la
emisin de la seal de accionamiento ante un evento de arco elctrico.
Figura 9. Diagrama de bloques de un rel con deteccin de arco
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9. DESARROLLO DEL APLICATIVO PARA EL CLCULO DEL RIESGOELCTRICO Y ESTIMACIN DE EPP
En este apartado se presenta el desarrollo elaborado para el clculo estimativo del
nivel de riesgo ante flameo por arco, el objetivo es servir de fundamentacin en
estudios detallados de riesgo y proponer soluciones bsicas para disminuir el
riesgo sobre operadores.
Como se podr observar en las lneas de cdigo, se realiza el clculo de la
energa incidente para cada uno de los estndares al igual que la distancia de
frontera. Vale la pena ratificar que el aplicativo considera el arco al aire libre, por
lo tanto se podr corroborar que las constantes empleadas en los mtodos de
clculo para los diferentes estndares corresponden a la caracterstica de arco al
aire libre.
9.1 Estndar IEEE 1584-2002
Figura 10. Clculo Energa Incidente estndar IEEE1584-2002 implementacin
Figura 11. Clculo Distancia de Frontera estndar IEEE1584-2002 implementacin
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9.2 Estndar NFPA 70E
Figura 12.Clculo Energa Incidente estndar NFPA 70E implementacin
Figura 13. Clculo Distancia de Frontera estndar NFPA 70E implementacin
9.3 Mtodo Genrico
Figura 14.Clculo Energa Incidente Mtodo Genrico
Figura 15.Clculo Distancia de Frontera Mtodo Genrico implementacin
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9.4 Comparacin de resultados Aplicativo Riesgo Elctrico
Para corroborar la precisin del aplicativo, seleccionamos de la biografa utilizadaen el desarrollo de este trabajo de grado, algunos ejemplos o ejercicios en donde
se realiza el clculo de la energa incidente, calculamos un porcentaje de error que
nos ilustra el grado de veracidad de la herramienta elaborada.
9.5 Verificacin Clculo Energa Incidente estndar IEEE 1584-2002
Figura 16. Figure B.13 (10)Arc flash reported in spreadsheet
FUENTE: Practical Solution Guide to Arc Flash Hazards_IEEE1584
Por lo tanto se procede a seleccionar el mtodo utilizado en la hoja de clculo y se
realiza la comparacin respecto a la primera lnea, vale la pena resaltar que el
aplicativo permite modificar la corriente de falla con el fin de dar flexibilidad a la
hora de analizar una banda de valores.
Figura 17. Clculo de la energa incidente a travs del Aplicativo segn IEEE 1584-2002
||
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9.6 Verificacin Clculo Energa Incidente estndar NFPA 70E
Figura 18. Spreadsheet by Cooper Bussman (11)
FUENTE: Spreadsheet by Cooper Bussman (11)
En la anterior hoja de clculo se especifican las condiciones dadas a un nivel de
tensin de 480V para presentarse un arco elctrico con una energa incidente de
2.66 cal/cm2 a una distancia de trabajo de 18 pulgadas y una duracin de arco de
0,1s. Se procedi a ingresar las caractersticas en el aplicativo y realizar el clculo
segn la NFPA 70E.
Figura 19. Clculo de la energa incidente a travs del Aplicativo segn NFPA 70E
||
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9.7 Verificacin Clculo Energa Incidente Mtodo Genrico
Figura 20.Spreadsheet by ATC Consulting Services
FUENTE: Spreadsheet by ATC Consulting Services
Como se aprecia en la figura anterior se realiza el clculo de la energa incidente
segn el Mtodo Genrico o (Lees Method) teniendo en cuenta el tiempo en ciclos
o en segundos, para efectos de la interfaz del aplicativo los clculos se realizan
teniendo en cuenta la duracin del arco en (s).
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Figura 21. Clculo de la energa incidente a travs del Aplicativo segn Mtodo Genrico
|| Por lo tanto, conforme a las verificaciones realizadas y al clculo de las
desviaciones anteriormente descritas para los ejercicios anteriores se concluye
que la mxima desviacin se presenta en el Mtodo de Clculo del estndar IEEE
1584-2002, no obstante la mxima desviacin corresponde al 19,32% del valorobtenido a travs del aplicativo, lo cual da la idea que el modelo empleado sigue la
tendencia propuesta por el estndar.
De igual forma cabe la pena resaltar que dicho modelo es ms propenso a
divergencias debido a que maneja una mayor cantidad de parmetros.
10. RED UNIFILAR IEC 909 EXAMPLE 3
Para el caso de estudio de este proyecto se escogi una red industrial tipo
benchmark, en la que se pueden analizar gran cantidad de escenarios propios de
una red de este tipo. La red elegida es la IEC 909 EXAMPLE 3 que se muestra en
la Figura 24.
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Figura 22. Diagrama Unifilar IEC 909 - Example 3
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10.1 Caractersticas Tcnicas
Como se puede observar en el diagrama unifilar anterior, la red cuenta con los
siguientes equipos a considerar para realizar una coordinacin adecuada, las
magnitudes obtenidas en las tablas son producto de ejecutar un flujo de carga
balanceado a travs del DIgSILENT PF.
Tabla 8. Barras IEC 909Example 3
BARRAS
NameNom.L-L
Volt.Ul,
Magnitudeu,
MagnitudeU, Angle
kV kV p.u. deg
Aux 2 10 9,300812 0,9300812 -149,9499
F1 220 220 1 0
F2 21 19,04579 0,9069422 -149,9923
F3 10 9,234659 0,9234659 -149,9359
F4 0,38 0,3644482 0,9590743 60,19775
M_26 0,38 0,367059 0,9659447 60,18373
TM 0,66 0,6350223 0,962155 60,13429
TM1 0,66 0,6395714 0,9690475 60,12026
Tabla 9.Motores Asncronos IEC 909Example 3MOTORES ASNCRONOS
Name
NominalVoltage
PowerFactor
NominalApparent
Power
RatedMechanical
Power
Efficiencyat nominalOperation
NominalFrequency
No ofPolePairs
Connection
kV kVA kW % Hz
Tp-M1 10 0,89 7828,33 6800 97,6 50 2 D
Tp-M11 10 0,85 2269,521 1850 95,9 50 3 D
Tp-M15-19 0,66 0,8 1250 900 90 50 3 D
Tp-M2/9 10 0,85 3802,981 3100 95,9 50 2 D
Tp-M20 0,38 0,8 1390 1000 89,92805 50 3 DTp-M3/10 10 0,88 1771,877 1500 96,2 50 1 D
Tp-M4/12 10 0,85 865,0519 700 95,2 50 3 D
Tp-M5/13 10 0,75 745,429 530 94,8 50 5 D
Tp-M6/14 10 0,85 2450,98 2000 96 50 3 D
Tp-M7 10 0,95 2095 1710 85,91885 50 3 D
Tp-M8 10 0,87 6024,737 5100 97,3 50 3 D
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Tabla 10.Red Externa IEC 909Example 3
RED EXTERNA
Name Terminal Bus T. ActivePower
ReactivePower
ApparentPower
u, Magnitude PowerFactor
Busbar MW Mvar MVA p.u.NetworkFeeder F1 PV 0,02013549 14,85792 14,85794 1 0,0013552
Tabla 11.Transformadores IEC 909Example 3
TRANSFORMADORES BIDEVANADO
Name rtd.Pow. NominalFrequency
HV-
rtd.Volt.
LV-
Rtd.Volt.
Shc
Volt.
Cop
.Los.
Re(ShcVolt.) RatioX/R x1 r1
MVA Hz kV kV % kW % p.u. p.u.10/0.4 kV1.6 MVA 1,6 50 10 0,4 6 16,5 1,03125 5,7316 0,05910712 0,010312510/0.7 kV2.5 MVA 2,5 50 10 0,693 6 23,5 0,94 6,304159 0,05925909 0,0094240/21kV 250MVA 250 50 240 21 15 520 0,208 72,10845 0,1499856 0,00208
TRANSFORMADORES TRIDEVANADO
NameHV-rtd.
Pow.MV-rtd.
Pow.
LV-rtd.
Pow.
HV-rtd.
Volt.MV-rtd.
Volt.
LV-rtd.
Volt.
HV-Vec.Grp.
HV-Ph.Shift
MV-Vec.Grp.
MV-Ph.Shift
MVA MVA MVA kV kV kV *30deg *30deg
Aux Tp3 25 25 25 21 10,5 10,5 YN 0 YN 0
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10.2 Metodologa de estudio para la coordinacin de protecciones
La siguiente metodologa ser implementada con el fin de cumplir una adecuadacoordinacin de protecciones de la Red Industrial IEC 909 - Example 3
implementada para nuestro estudio.
Realizar la indagacin de los componentes elctricos que componen el
sistema al igual que sus principales caractersticas.
Elaborar el modelo del sistema en un software para estudios elctricos,
en este caso se utiliz un modelo ya existente. Una red tipobenchmark incluida en el DIgSILENT PF versin 14.1.
Parametrizar los interruptores y rels empleados para la proteccin de la
red, ingresando al modelo ya planteado las curvas de dao de los
equipos elctricos asociados a dicho sistema de proteccin.
Simular los diferentes escenarios posibles de operacin que se pueden
presentar en el sistema para corroborar la validez y utilidad del modelo.
Ajustar los elementos de proteccin elctrica de sobrecorriente de fases,
con funciones de tiempo definido, inversas e instantneas
parametrizadas anteriormente.
Analizar la coordinacin de los dispositivos de proteccin elctrica
verificando el correcto desempeo de los rels de proteccin y/o
elementos de interrupcin del suministro por sobrecorriente, mediante el
estudio y evaluacin de las grficas elaboradas en DIgSILENT PF,
buscando cumplir con los principales criterios de coordinacin.
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El diagrama de flujo de la metodologa a seguir es presentado a continuacin.
Figura 23. Metodologa del estudio
10.3 Modos de Operacin de la red elctrica
Se crearon tres (3) escenarios que representan de manera completa los
diferentes modos de operacin que se puedan presentar en una red industrial
tpica.
Operacin Nominal: Alimentacin por red externa, barraje con mayor
nmero de motores en funcionamiento.
Operacin Demanda Mxima: Alimentacin por red externa, todos los
motores en funcionamiento.
Operacin en Despacho Mnimo: Alimentacin por red externa, barraje
con menor nmero de motores en funcionamiento.
Por lo tanto se presenta a continuacin el listado de los equipos de la red y su
condicin de estado teniendo en cuenta el escenario de operacin en el que se
encuentran, con el fin de encontrar las condiciones crticas de cargabilidad del
sistema y los aportes de los equipos, para encontrar el nivel mximo de
cortocircuito en el sistema.
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Tabla 12. Modos de Operacin
DESIGNACIN DESCRIPCIN
MODO DE OPERACIN
D. Mxima Nominal D. Mnima
Network Feeder Red Externa F1 Barra 220 kV F2 Barra 21 kV
Aux 2 Barra 10 kV F3 Barra 10 kV TM Barra 0,66 kV TM1 Barra 0,66 kV F4 Barra 0,38 kV M_26 Barra 0,38 kV
AT Trf. Tridevanado T Trf. Bidevanado T20 Trf. Bidevanado T15-T19 Trf. Bidevanado T21-T25 Trf. Bidevanado T26 Trf. Bidevanado M1 Motor 6800 kW M2 Motor 3100 kW M3 Motor 1500 kW M4 Motor 700 kW M5 Motor 530 kW M6 Motor 2000 kW M7 Motor 1710 kW M15-M19 Motor 900 kW M20 Motor 1000 kW M8 Motor 5100 kW M9 Motor 3100 kW M10 Motor 1500 kW M11 Motor 1850 kW M12 Motor 700 kW M13 Motor 530 kW M14 Motor 2000 kW M21-M25 Motor 900 kW M26 Motor 1000 kW
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Teniendo en cuenta los modos de operacin expuestos, se realizan simulaciones
en DIgSILENT PF para obtener los flujos de carga y las corrientes de cortocircuito
mnimas y mximas. Presentando as los resultados de simulacin que
proyectaron corrientes de falla de mayor magnitud, expuestas en el modo de
operacin de Demanda Mxima.
Tabla 13. Resultado de simulacin de cortocircuito en barraje y transformadores
Elemento
Ik'' HV-Side
[kA]
Ik'' MV-Side
[kA]
Ik'' LV-Side
[kA]
Ik'' 3f [kA]
Min Max
T 0,455 43,802
AT 6,354 16,881 16,975
T20 0,384 37,410
T15T19 1,893 116,995
B_Aux 2 24,043 24,556
B_F1 21,217 21,449
B_F2 46,713 50,128
B_F3 0 27,176
B_F4 0 48,271
M_26 47,969 48,024
TM 0 144,845
TM1 139,326 140,293
En las simulaciones realizadas en los barrajes de la red se puede visualizar las
altas corriente de cortocircuito a las que estn expuestas en teora los operarios
de la red industrial en cuestin, con magnitudes que alcanzan los 21,21 kA en
fallas trifsicas.
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10.4 Disposicin de los elementos de proteccin de sobrecorriente
Figura 24.Disposicin de rels de sobrecorriente
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Respecto a la configuracin inicial de los rels, es comn en la industria visualizar
dos casos, el primero es ver elementos de proteccin con una ventana tecnolgica
obsoleta debido a que los incidentes por cuenta de estos han sido mnimos o
ninguno, por otro lado se tienen equipos de ltima tecnologa mal parametrizados
debido a desconocimiento por parte de los operarios de la red o por falta de
inversin a la hora de consultar a las personas capacitadas para realizar dicho
ajuste. En este caso se representar una mala parametrizacin al ajustar el dial de
los rels en su valor mnimo.
Figura 25. Caracterstica del esquema de proteccin sin coordinar
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Como se observa en las caractersticas de los rels instalados en la red se puede
concluir que el esquema de proteccin es fiable ya que al presentarse una
situacin de falla las protecciones actan, tanto la proteccin principal como la
proteccin de respaldo, pero vale la pena tener en cuenta que el esquema no es
confiable, ya que no es seguro y tampoco selectivo adems no cumple con los
mrgenes a dejar entre las curvas de proteccin ni el espaciamiento en magnitud
de corriente.
10.5 Coordinacin de los elementos de proteccin
Para realizar la coordinacin de los elementos de proteccin se hace esencial el
ajuste de los siguientes parmetros.
Pickup Current (Ipu): Es la magnitud de corriente a partir de la cual el rel opera,
debe ser superior a la mxima corriente de carga e inferior a la mnima corriente
de falla, para el caso de estudio utilizaremos el 130% de la corriente nominal como
criterio de ajuste para la operacin de tiempo inverso y un intervalo del 100% al
130% de la corriente de falla para la operacin instantnea.
Time Delay (t): Esla temporizacin para la operacin del rel, la temporizacin es
utilizada para coordinar con otros dispositivos de proteccin.
Ambos parmetros se relacionan a travs del tipo de curva seleccionado para la
coordinacin, para este caso de estudio se utilizara la curva Very Inverse (VI)
definida en el estndar IEC 60255 y presentada a continuacin:
( )
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F4 T20
Potencia del transformador T20: S = 1,6 MVA
Corriente de Cortocircuito obtenida en DIgSILENT PF:
If = 37,41 kA
Etapa Temporizada
( )
Etapa Instantnea
Ipu50 = 1 x 37,41 kA = 37,41 kA
T20 F3
Potencia del transformador T20: S = 1,6 MVA
Corriente de Cortocircuito obtenida en DIgSILENT PF:
If = 1,496 kA
Etapa Temporizada
( )Etapa Instantnea
Ipu50 = 1,25 x 1,496 kA = 1,87 kA
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F3 - AT
Potencia del transformador AT: S = 25 MVA
Corriente de Cortocircuito obtenida en DIgSILENT PF:
If = 16,8815 kA
Etapa Temporizada
( )
Etapa Instantnea
Ipu50 = 1 x 16,881 kA = 16,881 kA
AT - F2
Potencia del transformador AT: S = 25 MVA
Corriente de Cortocircuito obtenida en DIgSILENT PF:
If = 7,696 kA
Etapa Temporizada
( )Etapa Instantnea
Ipu50 = 1,25 x 7,6960 kA = 9,62 kA
-
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F2 - T
Potencia del transformador T: S = 250 MVA
Corriente de Cortocircuito obtenida en DIgSILENT PF:
If = 43,802 kA
Etapa Temporizada
( )
Etapa Instantnea
Ipu50 = 1 x 43,802 kA = 43,802 kA
T - F1
Potencia del transformador T: S = 250 MVA
Corriente de Cortocircuito obtenida en DIgSILENT PF:
If = 3,832 kA
Etapa Temporizada
( )Etapa Instantnea
Ipu50 = 1,25 x 3,832 kA = 4,79 kA
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Figura 26. Caracterstica del esquema de proteccin coordinado
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Por otra parte se tiene la anterior coordinacin de protecciones ajustada segn los
clculos anteriormente descritos, en la cual se aprecia el margen respectivo entre
curvas, entre magnitudes de corrientes, la selectividad en la operacin y la
confiabilidad en el esquema que cubre las curvas de dao de los transformadores
de la red, cumpliendo as todos los parmetros que garantizan una adecuada
coordinacin de protecciones.
Con respecto al clculo de la energa incidente se considera que el esquema se
encuentra cobijado bajo un esquema de proteccin que consta de una actuacin
instantnea y una de tiempo inverso, por lo cual se realiza la prueba considerando
que la proteccin principal no opera.
Escogemos una falla presentada en M_26 para la cual tenemos la siguienteinformacin:
Tabla 14. Condiciones falla en M_26
Voltaje Nominal [V] 380
Tiempo de duracin del arco [s] 0.294
Distancia de Trabajo [cm] 55.88
Corriente de Falla [kA] 48.024
Ingresando los anteriores datos en el aplicativo y utilizando el Mtodo Genrico,
obtenemos los siguientes resultados:
Tabla 15. Resultados Aplicativo Riesgo Elctrico
Energa Incidente [cal/cm2] 8,79
Distancia Frontera [mm] 1516,07
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Figura 27. Resultados Aplicativo Riesgo Elctrico
Desplegando las recomendaciones obtenemos que:
Figura 28. Etiqueta generada por el Aplicativo de Riesgo Elctrico
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Y el equipo de proteccin principal adecuado para realizar algn tipo de operacin es el siguiente:
Figura 29. EPP recomendado para labores en M_26 (1)
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Figura 30. EPP recomendado para labores en M_26 (2)
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Figura 31. EPP recomendado para labores en M_26 (3)
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11. MANUAL DE USUARIO DEL APLICATIVO PARA EL CLCULO DELRIESGO ELCTRICO Y ESTIMACIN DE EPP
11.1 Acerca de este manual
Este manual sirve como gua para realizar el clculo de la energa incidente a
partir de los resultados de corrientes de corto circuito obtenidos mediante
DIgSILENT PF y a su vez obtener informacin del equipo de proteccin personal
adecuado segn el nivel de riesgo elctrico obtenido mediante el Aplicativo para
el clculo del riesgo elctrico y estimacin de EPP.
11.2 Instalacin y preparativos iniciales
Importacin ExportShc.dz
1. Entre los archivos anexos a este documento se podr encontrar el fichero con
extensin .pfd el cual contiene un cdigo desarrollado en el lenguaje de
programacin de DIgSILENT PF (DPL) que facilita la ejecucin y posterior
exportacin del clculo de cortocircuito para la red en la cual se aloje dicho
fichero.
Figura 32.Anexos DIgSILENT
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2. Ingresar a DIgSILENT PF, archivo\ Import..\Data (*.dz;*.dat;*.pfd;*.dle) y
seleccionar el fichero ExportShc.pfd como se muestra en la siguiente imagen.
Figura 33. Importacin de archivo en DIgSILENT
3. En este caso se importar el archivo a la biblioteca del DEMO y posteriormente
se alojara el fichero en la red IEC 909 Example 3, disponible dentro de las
redes cargadas por defecto en esta biblioteca.
Figura 34. Disposicin IEC 909 Example 3
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Como se observa en el grfico, el DPL importado queda al final de la biblioteca
del DEMO por lo cual se procede a mover dicho DPL a la ubicacin deseada.
4. Luego se debe activar el proyecto, dirigindose al archivo DPL, copindolo y
se debe acceder a la red y pegarlo.
Figura 35. Disposicin del DPL en biblioteca de inters
5. Es de gran importancia considerar que el DPL toma el ltimo caso de clculode cortocircuito efectuado, por lo cual si se realiz con anterioridad un clculo
conforme VDE0102, se recomienda ingresar a la ventana de clculo de
cortocircuito y modificar los parmetros acorde al mtodo a usar, para este
caso IEC60909.
Figura 36. Opciones para clculo de cortocircuito
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6. Por ltimo, con el DPL situado en la carpeta de red de inters, se procede a
ejecutarlo. Teniendo en cuenta que es prioritario tener un archivo de Excel
abierto con una de las hojas con nombre Hoja1, nombre que por defecto es
asignado a la primera hoja del libro al acceder a Excel.
Figura 37. Ejecucin del DPL
De lo contrario aparecer un mensaje evidenciando que se produjo un error al
ejecutar el DPL como se muestra a continuacin.
Figura 38. Error ejecucin DPL
7. Debido a que la exportacin se realiza a un archivo de Excel es necesario que
el tipo de separadores del sistema de DIgSILENT y Excel sean los mismos, por
lo tanto se realiza la validacin en las opciones de Excel, para no poseer
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errores al importar los archivos al aplicativo Clculo de riesgo elctrico y
estimacin de EPP, como se muestra a continuacin.
Figura 39.Configuracion separadores Excel
8. Al ejecutar el DPL se puede apreciar en el Output Window de DIgSILENT PF,
que se ejecuta el clculo del cortocircuito y se evidencian los datos exportados
al archivo de Excel.
Figura 40. Magnitudes Exportadas a Excel
Al acceder a Excel se observan los mismos datos exportados, se procede a
guardar el archivo con extensin .xslx que es la extensin por defecto de los
libros de Excel y abrir el aplicativo Clculo de riesgo elctrico y estimacin deEPP
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Importacin de datos
Previamente a utilizar el aplicativo se debe contar con los resultados del estudiode cortocircuito realizado en DIgSILENT PF en formato xslx, a continuacin debe:
1. En la interfaz inicial del aplicativo hacer clic en el botn Buscar Archivo.
Figura 41. Bsqueda de archivo para importacin de datos
2. A continuacin se abrir una ventana de explorador de Windows, en la cual se
debe elegir el archivo .xslx en el cual se encuentran los datos previamente
calculados en DIgSILENT PF (un archivo con otro formato puede generar
errores en la importacin) y hacer clic en el botnAbrir.
Figura 42.Archivo con datos exportados
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3. Si el archivo elegido tiene el formato correcto se realizar la importacin de los
datos al aplicativo.
Figura 43. Importacin adecuada de datos al Aplicativo
Para ver toda la informacin extrada del archivo de datos, hacer clic en el botn
Ver todos los datos importados.
Figura 44. Todos los datos importados al Aplicativo
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Luego de importar los datos se habilitaran los mtodos de clculo de energa
incidente:
Segn NFPA 70E
Segn IEEE 1584
Segn Mtodo Genrico
11.3 Calcular la energa incidente segn NFPA 70E
Luego de importar los datos debe seguir los siguientes pasos:
1. Marcar la opcin de NFPA 70E en el apartado Seleccionar mtodo de clculo,
inmediatamente se desplegaran los campos para ingresar los datos
necesarios.
2. Seleccionar el punto del sistema en el cual se calculara la energa incidente de
la lis
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