estudios de cÁlculo del arco elÉctrico en sistemas industria

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.


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


Dnde:

E, energa calorfica incidente (cal/cm2)

D, distancia de trabajo (pulgadas)


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)


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



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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


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


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




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



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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




Requerido cuando los niveles de energa del arco elctrico son iguales a

25 cal/cm2 o mayores.

Ropa ignifuga





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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




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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


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


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


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


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


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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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

estudios de cÁlculo del arco elÉctrico en sistemas industria

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