CAPITULO 6

PROTECCIONES DE SISTEMAS DE DISTRIBUCION 6.1. Introduccin

El problema de Proteccin de los Sistemas Elctricos de Distribucin ha venido adquiriendo cada vez mayor importancia ante el crecimiento acelerado de las redes elctricas y la exigencia de un suministro de energa a los consumidores con una calidad de servicio cada vez mayor. A pesar de existir abundante bibliografa sobre Protecciones de Sistemas Elctricos, sta en su mayora est enfocada a los Sistemas de Generacin y Transmisin de Energa Elctrica. No son muy abundantes las publicaciones que tratan este tema tan interesante y hoy en da tan necesario, a nivel de distribucin con un inters especial a la seleccin, aplicacin y coordinacin de los equipos de proteccin comnmente usados en estos sistemas. Por esta razn, el objetivo de este captulo es dar una visin lo ms completa posible sobre los equipos de proteccin ms utilizados en distribucin. Se tratan los temas de esquemas de proteccin, seleccin de equipos y coordinacin de operacin de los mismos en forma simple, ms orientados a los conceptos, clculos preliminares y recomendaciones generales, que a aspectos de construccin o mantencin de los equipos. Se pretende entregar los elementos necesarios para realizar los clculos elctricos involucrados en la proteccin y determinar los parmetros pertinentes, todo ello dentro del marco de la filosofa de las protecciones en sistemas elctricos. Se estudian en particular, los tres tipos de protecciones ms utilizados y propios de los Sistemas de Distribucin, como son, los fusibles, los reconectadores automticos y los seccionalizadores, a pesar de que estos ltimos estn siendo dejados de lado por algunas empresas de distribucin. Otros equipos, como los rels de sobrecorriente y los interruptores de poder ya fueron analizados en los captulos anteriores.

6.2. Fusibles

El fusible es el medio ms sencillo de interrupcin automtica de corriente en caso de cortocircuitos o sobrecargas. En baja tensin se encuentran hasta de 600 A y de 250 a 600 Volt. En este rango, la exigencia es que soporten continuamente la corriente nominal y que se fundan en un tiempo mximo de 5 minutos con un 15% de sobrecarga. En alta tensin, se encuentran hasta de 400 Amperes y de 10 a 138 kV, con potencias de 0,1 a 20 MVA. En general, un fusible (Figura 6.1) est constituido por un elemento sensible a la corriente (en adelante, elemento fusible) y un mecanismo de soporte de ste. El elemento fusible se funde cuando circula por l, una corriente peligrosa durante un tiempo determinado. El mecanismo de soporte establece rpidamente una distancia elctrica prudente a fin de minimizar el tiempo que dura el arco.

Figura 6.1.- Fusibles tpicos

142Las caractersticas de un fusible varan de acuerdo al material usado en el elemento fusible y a su

disposicin. El tiempo y la intensidad mnima de fusin del elemento dependen del ambiente en que se encuentre y de la intensidad de la corriente en el instante anterior a la sobrecarga. En todo caso las curvas caractersticas de tiempo-corriente se dan para temperaturas ambientes de 20 a 25 C y se indican para corrientes que producen fusin en 5 minutos o menos, partiendo de fusibles sin carga.

La curva caracterstica de un fusible se puede separar en

las siguientes partes, tal como se muestra en la Figura 6.2 a. Curva de tiempo mnimo de fusin: Relaciona la

corriente con el tiempo mnimo al cual el fusible se funde.

b. Curva de tiempo mximo de fusin o de aclaramiento: Se obtiene adicionando un margen de tolerancia (en corriente) a la curva a.

c. Curva de tiempo total para la extincin del arco: Se obtiene adicionando a la curva b, el tiempo necesario para la completa extincin del arco.

d. Curva tiempo-corriente de corta duracin: Relaciona la corriente y el tiempo mximo permisible para que el fusible no quede debilitado en caso de sobrecargas de corta duracin. Se obtiene estableciendo un margen debajo de la curva a.

Corriente

Tiempod a b

c

Figura 6.2.- Caractersticas de

operacin de fusibles En general, los fusibles se aplican especialmente en el sector industrial, en la proteccin de

transformadores de potencial, de distribucin o de potencias reducidas y ocasionalmente, en proteccin de ramales. A menudo el fusible puede montarse como seccionador y en algunos casos tiene mecanismos automticos.

Se debe tener en cuenta que en condiciones transitorias (in-rush de transformadores, corriente de

arranque de motores de induccin, etc.) y condiciones permanentes de carga de transformadores (con posibles variaciones de hasta 200% de capacidad en los bancos auto-enfriados), el transformador no sufre dao y por lo tanto, el fusible debe permitir fluctuacin con un margen de seguridad. Adicionalmente, debe considerarse que el fusible tiene una franja de respuesta a las sobrecorrientes (tiempo fusin del elemento + tiempo del arco), pudiendo presentar problemas de selectividad cuando est en serie con un interruptor automtico u otros fusibles.

6.2.1. Aplicacin de fusibles a la proteccin de transformadores

Las curvas tiempo-corriente muestran la relacin entre la corriente y el tiempo que requiere el elemento fusible para fundirse y el tiempo que requiere el fusible para aclarar la falla (en el ltimo caso, se incluye el tiempo de duracin del arco). En Chile, se protegen transformadores de hasta 66 kV y potencias de hasta 5 MVA, con fusibles ubicados en el lado de alta, evitndose el interruptor de poder (52) respectivo, emplendose proteccin de sobrecorriente en el lado de baja (51), la que acta sobre un 52, tal como se muestra en la Figura 6.3.

51

52

Figura 6.3.- Proteccin de un transformador de poder con fusible en el lado de alta

143En la proteccin de transformadores se debe tener presente lo siguiente:

Consideraciones para curvas de calentamiento de transformadores: Se construyen curvas lo mas

reales posibles a las condiciones de operacin. Se supone que el transformador alcanza hasta 50 C sobre la temperatura ambiente mxima de 45C.

Consideraciones para curvas tiempo-corriente de fusibles: Las curvas primitivas son bastantes

irreales. Se supone que la temperatura ambiente es de 25C (los ensayos se hacen entre 20 y 30 C) y que el fusible est sin carga (fro). Esto significa que para estudios de coordinacin, debe trabajarse con curvas tiempo-corriente corregidas a las condiciones reales de ambiente y carga.

Para seleccionar adecuadamente un fusible de proteccin a un transformador deben considerarse los

siguientes puntos, que se muestran en la Figura 6.4:

Deben ser capaces de soportar sin quemarse la corriente nominal incrementada en un margen de seguridad que permita sobrecargas controladas, o que asegure la posibilidad de aumentar la capacidad de transformacin mediante ventilacin adicional. Se puede decir, en general, que los fusibles deben ser capaces de soportar 1,5 veces la corriente nominal. Esto es, su curva caracterstica debe quedar a la derecha de la recta vertical que tiene como abscisa ese valor corriente.

Deben ser capaces de soportar, sin quemarse, la corriente de magnetizacin (in-rush) durante por lo menos 0,1 segundo. Esta corriente es del orden de 8 a 10 veces la corriente nominal del transformador. La curva caracterstica de los fusibles debe quedar a la derecha de un punto que tenga como coordenada 0,1 segundo y como abscisa el valor de la corriente determinada.

Los fusibles deben quemarse para una corriente igual o superior a 6 veces la corriente nominal del

transformador, admitindose que la impedancia de este ltimo sea inferior al 6% (que es el caso ms comn en las subestaciones de transformacin o sistemas industriales). Esta condicin exige que la curva caracterstica de los fusibles quede a la izquierda de un punto que tenga como coordenada el tiempo mximo de operacin del fusible y como abscisa 6 veces la corriente nominal del transformador. Si la impedancia est entre 6 y 10%, deber considerarse 4 a 6 veces la corriente nominal.

Los fusibles deben quemarse para los valores de corriente y dentro de los tiempos indicados en la

Tabla 6.1. Considerando que fallas de una fase a tierra en el lado de baja originan corrientes equivalentes en el lado de alta de slo un 58% respecto a las de baja, los valores de la tabla deben ser multiplicados por 0,58. Esta tabla corresponde a los valores establecidos por las normas ASA (NEMA) para las corrientes mximas de cortocircuito simtricas, que pueden soportar los transformadores durante tiempos determinados.

Tiempo

6 81,5 Veces Corriente nominal0,1

100

(seg)

Segn Tabla 6.1

Figura 6.4.- Seleccin de fusibles

144Tabla 6.1.- Corriente de cortocircuito y tiempo de fusin segn NEMA

% Impedancia Corriente efectiva de cortocircuito simtrico Tiempo (seg) 4% o menos 25,0 I nominal 2

5% 20,0 I nominal 3 6% 16,6 I nominal 4

7% o ms 14,3 o menos veces la I nominal 5 6.2.2. Caractersticas nominales de fusibles

La Tabla 6.2 indica la capacidad nominal del hilo o elemento fusible de diversos tipos de fusibles.

Tabla 6.2.- Capacidad de Corriente permanente de diversos tipos de elemento fusible H Rating Continuous

Current (A) N Rating Continuos

Current (A)EEI-NEMA K or T Rating

Continuous Current (A)

EEI-NEMA K or T Rating

Continuos Current (A)

1H 1 25 25 6 9 40 60* 2H 2 30 30 8 12 50 75* 3H 3 40 40 10 15 65 95 5H 5 50 50 12 18 80 120+ 8H 8 60 60 15 23 100 150+

75 75 20 30 140 190 N Rating 85 85 25 38 200 200

5 5 100 100 30 45 8 8 125 125

10 10 150 150 * Only when used in a 100- or 200-ampere cutout. 15 15 200 200 + Only when used in a 200-ampere cutout. 20 20 Limited by continuous cur