Captulo IX PROTECCION DE MOTORES

n este captulo se presentarn los esquemas bsicos de proteccin recomendados para motores elctricos de induccin en baja tensin (BT) y en mediana tensin (MT)1.

Rangos de los niveles de voltaje de operacin de motores. Como se mencion anteriormente, la clasificacin por voltaje, de operacin en motores de C.A., establece dos niveles: 1) Baja tensin (BT): voltajes de operacin hasta de 600 volts (127, 220 y 440 volts). 2) Mediana tensin (MT): voltajes de operacin hasta 5 kV (2300, 4000 y 4160 volst) y 13.8 kV) y mayores de 5 kV (6,600 y 13,200 volts)2. Esquema bsico de proteccin. Cuando se habla de esquema bsico de proteccin, se refiere a la recomendacin de un conjunto mnimo de dispositivos para que los elementos de una red elctrica, en este caso en particular los motores, cumplan con ciertos requisitos mnimos que establecen las normas y reglamentos en sus artculos referentes a la proteccin contra fallas elctricas tpicas.

1 NMX-J-098-1994-ANCE. Tensiones Normalizadas. Normas mexicanas ANCE. CONANCE. 2 NMX-J-075/2-1994-ANCE. Aparatos Elctricos-Mquinas Rotatorias Parte 2: Motores de corriente Alterna del tipo de Rotor en Cortocircuito, en Potencias Grandes-Especificaciones. Normas mexicanas ANCE. CONANCE.

Esquemas bsicos de proteccin para motores en BT. Los voltajes de operacin ms comunes para motores en BT son: 127 V para mquinas monofsicas, 220 V y 440 V para las trifsicas. Siendo los motores de induccin tipo jaula de ardilla los de uso ms generalizado, a continuacin se presentan algunas opciones de esquemas bsicos de proteccin para ellos. En dichos esquemas se han incorporado dispositivos para cubrir los requisitos mnimos de proteccin, que establecen las normas y reglamentos en sus artculos correspondientes a la proteccin de motores en BT. Las fallas elctricas ms comunes en este tipo de motores son: 1) Sobrecarga(sc). 2) Cortocircuito(cc), en cualquiera de sus modalidades: trifsico, bifsico o de fase a tierra. La condicin de sobrecarga se debe interpretar como una sobrecorriente de magnitud moderada que suele tener como origen una demanda de par mayor al nominal del motor, y que si esa condicin se establece durante un periodo de tiempo suficientemente prolongado, puede daar por efecto de sobrecalentamiento a la mquina. Es importante hacer la notar que las normas y reglamentos permiten la omisin del dispositivo que protege la falla por sobrecarga, en aquellos casos en que existan peligros mayores que el riesgo de dao al propio motor; tal es el caso de la

E

PROTECCIN DE MOTORES falta de continuidad de servicio en las bombas contra incendio operadas con motor elctrico. Los diagramas unifilares de las figuras IX.1 (a) y (b) nos muestran los esquemas bsicos de proteccin de uso ms generalizado en motores de induccin tipo jaula de ardilla en BT. Cada uno de los dispositivos que los integran han sido identificados con un cdigo numrico encerrado en un hexgono, y ser la referencia para describir todas sus caractersticas.

MM

FIGURA IX.1 Esquemas bsicos de proteccin para motores de induccin tipo jaula de ardilla en baja

tensin.

1

2 3

1

C

OL

C

OL

(a) (b)

Especificacin de los dispositivos indicados en la figura IX.1 DISPOSITIVO 1 Relevador trmico de sobrecarga tipo aleacin fusible o tipo bimetlico (vea el captulo VI).

DISPOSITIVO 2 Interruptor en caja moldeada tipo termomagntico (vea el captulo II). DISPOSITIVO 3 Interruptor de navajas equipado con fusibles (vea el captulo V). Esquemas bsicos de proteccin para motores en mediana tensin. Los diagramas unifilares de las figuras IX.1, IX.2 y IX.3 muestran los esquemas bsicos de proteccin de uso ms generalizado para motores de C.A. en MT (2.4, 4.16 y 13.8 kV) y establecen tres categoras: 1. Para motores con capacidad por debajo

de 1500 HP. 2. Para motores con capacidad de 1500 HP

y mayores. Los dispositivos de proteccin que integran los esquemas pueden dividirse por su funcin y de manera general en tres grupos: 1. Contra elevacin de temperatura originada por sobrecarga o rotor bloqueado. 2. Contra fallas de cortocircuito en las modalidades trifsica y de fase a tierra. 3. Contra algunas condiciones anormales de operacin, como: bajo voltaje, inversin de fases (secuencia inversa), arranques frecuentes, desbalanceo, alta velocidad en recierre, prdida de excitacin y fuera de paso; stas dos ltimas de manera particular para los motores sncronos.

SISTEMAS DE POTENCIA III V. AYALA

1F A

BC

abc

50G

51 49

1

M

27

47

2 TP

1

1

33

1 1

1

C

Figura IX.2 esquema bsico de proteccin para motoresen media tensin (2.4 y 4.16 KV) y con capacidades

menores de 1500 HP(1a. Alternativa)

DISPOSITIVO 50G Un relevador de sobrecorriente con caracterstica de disparo con respuesta instantnea, generalmente ajustado al valor de tap mnimo disponible (0.25 A en el caso de la versin electromecnica). Protege contra falla a tierra alimentado desde un transformador de secuencia cero, (vea el captulo VIII). DISPOSITIVO 51 49 Tres relevadores de sobrecorriente con caracterstica de respuesta con retardo de tiempo, para proteger la falla de sobrecarga (vea el captulo VIII). Se usan tres unidades 51 monofsicas o como 2 opcin un relevador trmico trifsico de sobrecarga tipo bimetlico de temperatura compensada designado como un dispositivo 49 (vea el captulo VI).

DISPOSITIVO 1 Tres fusibles limitadores de corriente de alta capacidad interruptiva en MT para proteccin de la falla de cortocircuito trifsico (vea el captulo V), combinado con un interruptor llamado de aislamiento. DISPOSITIVO 47 Un relevador de secuencia de fases con caracterstica de respuesta con disparo instantneo, para asegurar que el motor slo gire en una direccin determinada. DISPOSITIVO 27 Un relevador de bajo voltaje con caracterstica de respuesta con retardo de tiempo, ajustado a un valor apenas por arriba del valor de voltaje que se presenta durante el arranque del motor, que permite absorber la cada de tensin normal que se produce slo durante el tiempo que dura el arranque. DISPOSITIVO C Un contactor magntico en aire o en vaco, que funciona como medio de conexin y desconexin del motor a la fuente de alimentacin. DISPOSITIVO F Tres fusibles clase 5 kV para proteccin de los transformadores de potencial TP.

DISPOSITIVO TP Dos transformadores de potencial con relacin 2.4 4.16 kV (segn sea el caso) a 120 V, conectados en delta abierta-delta abierta. DISPOSITIVO M Motor de menos de 1500 HP en MT.

IX- 3

PROTECCIN DE MOTORES

F A

BC

a

bc

2 TP

27

47

1

1

52

50G

M

3 3

1 1

5051

Figura IX.3 esquema bsico de proteccin para motores en media tensin (2.4 y 4.16 KV) y con

capacidades menores de 1500 HP (2a. Alternativa)

DISPOSITIVO 50G Un relevador de sobrecorriente con caracterstica de disparo con respuesta instantnea, generalmente ajustado al valor de tap mnimo disponible (0.25 A en el caso de la versin electromecnica). Protege contra falla a tierra alimentado desde un transformador de secuencia cero, (vea el captulo VIII). DISPOSITIVO 50/51 Tres relevadores de sobrecorriente con unidad 50 con caracterstica de disparo instantneo para proteger la falla de cortocircuito trifsico, y una unidad 51 con caracterstica de respuesta con retardo de tiempo para proteger la falla de sobrecarga (vea el captulo VIII). DISPOSITIVO 47 Un relevador de secuencia de fases con caracterstica de respuesta con disparo

instantneo, para asegurar que el motor slo gire en una direccin determinada. DISPOSITIVO 27 Un relevador de bajo voltaje monofsico con caracterstica de respuesta con retardo de tiempo, ajustado a un valor apenas por arriba del valor de voltaje que se presenta durante el arranque del motor, que permite absorber la cada de tensin normal que se produce slo durante el tiempo que dura el arranque.

DISPOSITIVO 52 Interruptor de potencia trifsico con operacin de contactos en aire o en vaco, para conexin y desconexin del motor a la fuente de alimentacin. DISPOSITIVO F Tres fusibles clase 5 kV para proteccin de los transformadores de potencial TP. DISPOSITIVO TP Dos transformadores de potencial con relacin 2.4 4.16 kV (segn sea el caso) a 120 V, conectados en delta abierta-delta abierta.

DISPOSITIVO M Motor de menos de 1500 HP en MT.

SISTEMAS DE POTENCIA III V. AYALA

F

2 TP

1

1

27

47

52

3 3

1 1

5051

50G

M1

49

A

B C

cba

FIGURA IX.4 ESQUEMA BASICO DE PROTECCIONES PARA MOTORES EN MEDIA

TENSION (2.4 Y 4.16 KV) Y CON CAPACIDADES MAYORES DE 1500 HP

(APLICABLE TAMBIEN A MOTORES QUE OPERAN EN VOLTAJES MAYORES)

2.4 KV 4.16 KV Y MAYORES

Especificacin de los dispositivos indicados en la figura IX.4: DISPOSITIVO 49 Un relevador llamado de imagen trmica para proteger al motor contra sobreelevacin de temperatura en los devanados del estator, debido a fallas en: el sistema de ventilacin, alta temperatura ambiente o sobrecarga. El ajuste se realiza tomando en cuenta la temperatura mxima de operacin a la cual puede operar el motor en forma segura, generalmente entre 50 y 190. La seal de temperatura la recibe directamente desde un juego de termopares instalados en los devanados del estator del motor. DISPOSITIVO 50G Un relevador de sobrecorriente con caracterstica de disparo con respuesta instantnea, generalmente ajustado al valor de tap mnimo disponible (0.25 A en el caso de la versin electromecnica). Protege contra falla a tierra alimentado desde un

transformador de secuencia cero, (vea el captulo VIII). DISPOSITIVO 50/51 Tres relevadores de sobrecorriente con unidad 50 con caracterstica de disparo instantneo para proteger la falla de cortocircuito trifsico, y una unidad 51 con caracterstica de respuesta con retardo de tiempo para proteger la falla de sobrecarga (vea el captulo VIII). DISPOSITIVO 47 Un relevador de secuencia de fases con caracterstica de respuesta con disparo instantneo, para asegurar que el motor slo gire en una direccin determinada. DISPOSITIVO 27 Un relevador de bajo voltaje monofsico con caracterstica de respuesta con retardo de tiempo, ajustado a un valor apenas por arriba del valor de voltaje que se presenta durante el arranque del motor, que permite absorber la cada de tensin normal que se produce slo durante el tiempo que dura el arranque.

DISPOSITIVO 52 Interruptor de potencia trifsico con operacin de contactos en aire o en vaco, para conexin y desconexin del motor a la fuente de alimentacin.

DISPOSITIVO F Tres fusibles clase 5 kV para proteccin de los transformadores de potencial TP.

DISPOSITIVO TP Dos transformadores de potencial con relacin 2.4 4.16 kV (segn sea el caso) a 120 V, conectados en delta abierta-delta abierta.

DISPOSITIVO M Motor de ms de 1500 HP en MT.

IX- 5

PROTECCIN DE MOTORES Criterios normalizados para el ajuste de los dispositivos de proteccin contra las fallas de sobrecarga y cortocircuito trifsico, aplicables a los esquemas bsicos para motores de BT y MT. El hablar de los criterios para definir los ajustes de los dispositivos de proteccin contra sobrecarga y cortocircuito trifsico, implica abordar el tema correspondiente al Estudio de Coordinacin de Protecciones de Sobrecorriente, el cual ser tratado en forma ms detallada posteriormente; sin embargo, resulta de inters que en esta seccin se establezcan las referencias generales con el objeto de ilustrar, mediante el desarrollo de ejemplos, los procedimientos aplicables a motores. Esto sin lugar a dudas, facilitar la tarea cuando se resuelvan casos en los que un motor forme parte de una red elctrica integrada a partir de diversos tipos de equipos, tales como: transformadores, alimentadores (barras o conductores aislados o desnudos), y generadores, entre otros, para los cuales se realice el estudio antes mencionado. A continuacin se presentan el procedimiento y un formato que facilitar su aplicacin. Procedimiento para definir los ajustes de los dispositivos de proteccin contra sobrecorrientes en motores. Se deben seguir los pasos: 1) Trazar la curva correspondiente al perfil de operacin normal del motor. 2) Trazar el punto MST (del ingls Motor Stall Time), que representa el tiempo mximo de atascamiento que soporta el motor antes de fallar.

3) Considerar el factor de servicio del motor, para calcular el disparo trmico y definir el ajuste de la proteccin contra sobrecarga. 4) Seleccionar, ajustar y vaciar las curvas caractersticas de respuesta de los dispositivos de proteccin 1) Curva del perfil de operacin normal del motor. Para trazar esta curva se requiere de la siguiente informacin especfica del motor: Corriente de plena carga o corriente

nominal (INOM). Corriente de arranque (IA). Tiempo de arranque (tA). Corriente de magnetizacin (IMAG). Tiempo de magnetizacin (tMAG) Corriente de plena carga o corriente nominal (INOM). Es la corriente de placa del motor, y se refiere al valor que el motor toma de la lnea de alimentacin cuando est entregando su par nominal (potencia nominal). Cuando por alguna razn no se dispone de la placa de datos del motor, se sugiere consultar al fabricante, o como tercera opcin calcularla a partir de la siguiente expresin matemtica:

KVxEfxFPxxHPIPC 3

746.0= (1.IX) Donde: HP = Capacidad del motor en caballos de

fuerza. FP = Factor de potencia del motor. Ef = Eficiencia del motor. kV = Voltaje de operacin del motor. La cuarta opcin es obtener el valor a partir de tablas como la del Apndice I, en las que se

SISTEMAS DE POTENCIA III V. AYALA

ingresa con los HP, el voltaje de operacin y la velocidad nominal de motor. Corriente de arranque (IA) o de rotor bloqueado (Irb).

La corriente de arranque y su magnitud puede ser de 4 hasta 10 veces la corriente nominal, este ultimo valor para motores que manejan cargas con alto par de inercia. Se recomienda manejar el valor real de la corriente de arranque, ya que se utiliza como una referencia importante para definir los ajustes de los dispositivos de proteccin de sobrecorriente. Cuando se desconoce la letra de cdigo NEMA (vea el Apndice II)de la placa de datos del motor puede utilizarse para determinarla. Como ya se dijo su valor suele expresarse como un mltiplo del valor de la corriente nominal; por ejemplo, un valor tpico es 6 veces la corriente nominal o de plena carga, es decir:

IA = 6 * INOM (2.IX) Tiempo de arranque (tA). Se refiere al periodo de tiempo en el que permanece constante la magnitud de la corriente de arranque. Este tiempo puede variar segn las caractersticas del motor y de la carga, y suele estar entre 4 y hasta 10 segundos. Valor tpico 6 segundos. Corriente de magnetizacin (IMAG). La corriente de magnetizacin es aquella que circula por los devanados del estator en el momento en que el motor se conecta a la fuente de alimentacin, y que tiene como finalidad excitar el circuito magntico de la mquina. Se determina a partir de la IA y de un valor denominado factor de magnetizacin (FM), el cual, como se indica en la tabla 1.IX, depende del nivel de voltaje de operacin del motor, es decir:

IMAG = FM * IA (3.IX)

BT(menos de 600 V) MT(ms de 600 V) FM 1.5 1.76

Tabla 2.IX Valores normalizados para FM

Tiempo de magnetizacin (tMAG)

Se refiere al periodo de tiempo que requiere el motor para que se excite su circuito magntico. Las normas han adoptado un valor nico para motores en cualquier nivel de voltaje; as se tiene que:

tMAG = 0.1 segundos (5.IX)

Trazo de la curva del perfil de operacin normal del motor. El trazo de la curva se realiza sobre una hoja con escalas logartmicas en los ejes horizontal (corrientes en amperes) y vertical (tiempo en segundos. El eje vertical o de las ordenadas con 5 ciclos logartmicos, cuyos valores mnimo y mximo son 0.01 y 1000 segundos respectivamente. El eje horizontal o de las abscisas tiene 4.5 ciclos, que van desde 0.5 hasta 100000 amperes. Tambin el la hoja se indica el voltaje al cual estn referidas las magnitudes de corrientes trazadas. 2) Zona del punto MST (Motor Stall Time). Se refiere al tiempo mximo de atascamiento permitido para el rotor de un motor, el cual representa un punto de la curva de lmite de calentamiento definido por la I2t a la corriente de rotor bloqueado. Este valor es proporcionado por el fabricante del motor en forma de coordenadas (IMST;tMST).

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PROTECCIN DE MOTORES Factor de servicio (Fs).

Es una caracterstica del motor que se indica en la placa de dato, y que se debe interpretar como la sobrecarga mxima, en trminos de la corriente nominal, que el motor puede tolerar sin daarse.

Los valores tpicos para este factor son: 1.0, 1.15, y 1.25. As, cuando se dice que un motor tiene un FS = 1.15, se interpreta que el motor podr soportar una sobrecarga sostenida, equivalente a 1.15 veces su corriente nominal Por lo que el disparo trmico o ajuste de la proteccin contra sobrecarga, deber ser como mximo, ese valor en amperes trazado en la hoja logartmica para un tiempo de 1000 segundos, aunque como se puede observar en la tabla. 2.IX las normas permiten un margen adicional.

Limite NEC. Este se refiere al valor mximo de disparo permitido para la proteccin contra sobrecarga, y se calcula mediante el factor FNEC, cuyo valor se obtiene de la tabla siguiente: CONSIDERACIONES FNEC

(% de la INOM) Si FS 1.15

T 40 C 140

Todos los dems 130 Fuente: National Electric Code (1999). USA. Artculo 430-34, p. 70-265

Tabla 2.IX Valores normalizados de FNEC

5) Seleccin, ajuste y vaciado de las curvas caractersticas de respuesta de los dispositivos de proteccin. Para seleccionar los tipos de dispositivos de proteccin, se recomienda consultar los

esquemas bsicos de proteccin que se aplican a diferentes niveles de voltaje comentados anteriormente. Por lo que aqu solo trataremos lo referente al los criterios de ajuste y el vaciado de las curvas caractersticas de respuesta.

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Figura IX.5 CURVA DE CAPACIDAD TERMICA DE UN MOTOR

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