selectividad energetica

Cuaderno Tcnico n 167La selectividad energtica BT

Marc Serpinet Robert Morel

La Biblioteca Tcnica constituye una coleccin de ttulos que recogen las novedades electrotcnicas y electrnicas. Estn destinados a Ingenieros y Tcnicos que precisen una informacin especfica o ms amplia, que complemente la de los catlogos, guas de producto o noticias tcnicas. Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenmenos que se presentan en las instalaciones, los sistemas y equipos elctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo de las redes elctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales. Puede accederse a estas publicaciones en Internet: http://www.schneiderelectric.es Igualmente pueden solicitarse ejemplares en cualquier delegacin comercial de Schneider Electric Espaa S.A., o bien dirigirse a: Centro de Formacin Schneider C/ Miquel i Badia, 8 bajos 08024 Barcelona Telf. (93) 285 35 80 Fax: (93) 219 64 40 e-mail: [email protected]

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Advertencia Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilizacin de las informaciones y esquemas reproducidos en la presente obra y no sern responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuencias de la aplicacin de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edicin. La reproduccin total o parcial de este Cuaderno Tcnico est autorizada haciendo la mencin obligatoria: Reproduccin del Cuaderno Tcnico n 167 de Schneider Electric.

Cuaderno Tcnico Schneider n 167 / p. 2

cuaderno tcnico no 167La selectividad energtica en BTMarc SERPINET Entra en Merlin Gerin en 1972 y trabaja hasta 1 975 en la seccin de desarrollo de equipos de BT. Despus se encarga del estudio especfico de la definicin de los armnicos elctricos segn el esquema de instalacin. Seguidamente dirige diversos ensayos de investigacin y desarrollo en la campo de los interruptores automticos tambin de BT. Obtiene el ttulo ingeniero ENSIEG en 1 981. En 1 991, despus de haber dirigido desde el estudio hasta la industrializacin de un proyecto para interruptores automticos Compact, se resposabiliza de la seccin de estudio de anticipacin a la evolucin electromecnica. Robert MOREL Ingeniero ENSMM Besanon, entra en Merlin Gerin en 1 971 y se especializa en el diseo de aparamenta de BT contribuye al estudio del sistema Sellim. En 1 980 se encarga del desarrollo de los interruptores automticos Compact y de los interruptores automticos Interpact. En 1 985 pasa a ser responsable de la seccin de estudios del corte en BT de la divisin de potencia de baja tensin. Por: Marc Serpinet y Robert Morel Trad.: Enrique Mil

Edicin francesa: junio 1 993 Versin espaola: febrero 1 994

TerminologaEc Energa de paso que permite el dispositivo de proteccin al producir el corte, est caracterizada por: ic2 . dt I2 . tc. ic Corriente de cortocircuito que recorre realmente el interruptor automtico por efecto de la limitacin (la corriente cortada es inferior a Ip). Ip Corriente cortocircuito presunta que se desarrollara en ausencia de dispositivos de proteccin (valor eficaz). Ir Corresponde a la regulacin de la proteccin contra las sobrecargas. tc Tiempo real de ruptura (extincin del arco). UT Unidad de Tratamiento electrnico. Accionador Dispositivo capaz de desarrollar una accin mecnica. Calibre Corresponde a la regulacin mxima del rel. Rel instantneo de alto umbral (DIN) Rel instantneo utilizado para limitar la solicitacin trmica sobre un cortocircuito. Rel instantneo (INS) Rel que no posee ningn dispositivo de retardo intencional con accin de intervencin a partir de varias veces In (proteccin contra los cortocircuitos). Rel de largo retardo (LR) Rel que posee un dispositivo de retardo intencional de varios segundos (proteccin contra las sobrecargas). Rel de corto retardo o retardado (CR) Rel que posee un dispositivo de retardo intencional de varias decenas a varias centenas de milisegundos. Si el retardo disminuye cuando Ip aumenta, decimos que el rel es de corto retardo dependiente (CRD). Interruptor automtico limitador Interruptor automtico que, al cortar una corriente de cortocircuito, limita la intensidad a un valor netamente inferior al valor presunto (Ip). Interruptor automtico selectivo Interruptor automtico equipado con un dispositivo de retardo intencional (selectividad cronomtrica). Selectividad parcial La selectividad es parcial cuando slo se asegura hasta un cierto valor de la corriente Ip. Selectividad total La selectividad es total cuando est asegurada para cualquier valor de la corriente de defecto presunta. Tamao Corresponde al escalado de la gama, por ejemplo: tamao 160 A, 250 A, 630 A, 800 A


La selectividad energtica en BT

ndice1 La selectividad en BT Definicin Contribucin al objetivo de seguridad y de disponibilidad Zonas de selectividad Selectividad amperimtrica Selectividad cronomtrica Selectividad SELLIM Selectividad lgica Empleo de los diferentes tipos de selectividad Cuadro de representacin de las energas Caractersticas de un interruptor automtico Compact NS Caractersticas de los rels Interruptor automtico equipado con un rel a presin La selectividad con los Compact NS Asociacin con el material tradicional de proteccin p. p. 6 6 El objetivo de este Cuaderno Tcnico es la presentacin de una nueva tcnica de selectividad de las desconexiones ante un cortocircuito: la selectividad energtica. Ms simple y eficaz que las tcnicas de selectividad habituales, se aplica en la gama de interruptores automticos Compact NS que se utilizan en la distribucin de potencia en BT. Para que pueda garantizarse la selectividad total, es decir, cualquiera que sea la corriente de defecto presunta, es suficiente tener dos interruptores automticos en serie de tamao diferente (relacin 2,5) con calibres en una relacin 1,6. A continuacin de un breve repaso de las tcnicas de selectividad clsicas, los autores examinan el comportamiento de los interruptores automticos y los diversos rels desde un punto de vista energtico. Se demuestra seguidamente la posibilidad de obtener selectividad total, hasta el poder de ruptura de los interruptores automticos, en diferentes niveles, sin necesidad de utilizar la selectividad cronomtrica.

2 Las tcnicas de selectividad en cortocircuito

p. 7 p. 8 p. 8 p. 9 p. 9 p. 10 p. 11 p. 12 p. 13 p. 16 p. 17 p. 18 p. 19 p. 20

3 La selectividad energtica

4 Inters y aplicacin de la selectividad energtica

5 Conclusin 6 Anexo: repaso sobre la ruptura con limitacin


1

La selectividad en BT

DefinicinEn una instalacin elctrica los receptores estn unidos a los generadores a travs de una sucesin de dispositivos de proteccin, seccionamiento y mando. Este Cuaderno Tcnico trata esencialmente de la funcin de proteccin por interruptor automtico. En el cuadro de la distribucin radial (figura 1) el objetivo de la selectividad es desconectar de la red el receptor o derivacin con defecto y slo ello, para conseguir el objetivo de continuidad de servicio en su grado mximo. Si no se realiza un estudio de selectividad o ste est mal realizado, un defecto elctrico puede solicitar a varios dispositivos de proteccin. Es por ello que un nico defecto puede provocar la falta de tensin en una parte ms o menos grande de una instalacin. De ello resulta una prdida anormal de disponibilidad de energa elctrica en derivaciones correctas, es decir, sin defecto. Las sobreintensidades que pueden producirse en una instalacin son de tipos diferentes: n sobrecarga, n cortocircuito, n punta de corriente de arranque, y tambin, n derivacin de corriente a tierra, n corriente transitoria debida a una cada de tensin o a una ausencia momentnea de tensin. Para garantizar una continuidad mxima de servicio es necesario emplear dispositivos de proteccin coordinados entre s. Hay que considerar que las cadas de tensin pueden provocar la apertura intempestiva de interruptores automticos por accin de los rels de mnima tensin.

Contribucin al objetivo de seguridad y de disponibilidadA cada tipo de defecto corresponde un dispositivo especfico de proteccin, (proteccin contra las corrientes de sobrecarga, de cortocircuito, de defecto a tierra, o de ausencia de tensin...) pero un defecto puede, por sus caractersticas, solicitar simultneamente a varios tipos de dispositivos de proteccin, bien directamente o por efecto secundario. Ejemplos: n una corriente de cortocircuito elevada crea una cada de tensin y puede solicitar al dispositivo de proteccin contra las bajadas de tensin o mnimos de tensin,

n un defecto de aislamiento puede detectarse simultneamente como defecto homopolar por un dispositivo de proteccin diferencial y como defecto de sobreintensidad por el dispositivo de proteccin contra los cortocircuitos (este caso depende de los regmenes de neutro a tierra; IT y TN), n una elevada corriente de cortocircuito puede provocar el funcionamiento del dispositivo de proteccin contra los defectos a tierra (en los casos de rgimen de neutro TT) por las saturaciones locales del toro que puedan crear falsas corrientes homopolares. Para una red determinada, el estudio de la selectividad, o ms generalmente, del plan de proteccin de una instalacin, se basa en las caractersticas de los dispositivos de proteccin publicadas por los constructores.

A D1 d

B D2

D3

D4

d circula a travs de D1, D2, D3, D4

Fig. 1: Varios interruptores automticos se ven afectados por el defecto.


Este estudio se inicia por el anlisis de las necesidades en dispositivos especficos de proteccin para cada tipo de defecto y sigue un anlisis de la coordinacin de las diferentes protecciones que pueden verse solicitadas. Ello permite obtener la mejor continuidad de servicio simultaneando la garanta de proteccin de los bienes y las personas. En el prximo captulo trataremos el problema de la selectividad en el caso de sobreintensidad (sobrecargas y cortocircuitos). La selectividad entre interruptores automticos se materializa simplemente por la apertura o no de varios interruptores automticos (figura 2). Selectividad total Una distribucin la consideraremos totalmente selectiva si, para cualquier valor de corriente de defecto, slo el dispositivo de proteccin situado ms abajo, de entre los solicitados por la corriente del defecto, abre y permanece abierto. Selectividad parcial Decimos que hay selectividad parcial si la condicin anterior no se cumple a partir de un cierto valor de la corriente de defecto.

D1

D1

D2

D2

a) Apertura de D1 y D2: no hay selectividad: no se dispone de energa en las derivaciones sin defecto

b) D1 abre, D2 se mantiene cerrado hay selectividad: continuidad del servicio en la derivaciones sin defecto

Fig. 2: Comportamiento de los interruptores automticos sobre un defecto.

El estudio de la selectividad difiere segn sea el tipo de defecto. En la zona de las sobrecargas Esta zona se sita a partir del umbral de funcionamiento ILR del dispositivo de largo retardo (LR). La curva de disparo tc = f (Ip) es generalmente de tiempo inverso para adaptarse mejor a la curva trmica admisible de los cables. El mtodo conocido y extensamente difundido consiste en trazar, en un sistema de coordenadas logaritmologaritmo las curvas de los rels LR afectados por el defecto (figura 3). Para un valor cualquiera de la sobreintensidad, la selectividad queda asegurada, en sobrecarga, si el tiempo de no desconexin del interruptor situado, aguas arriba D1 es superior al tiempo mximo de ruptura del interruptor automtico D2 (comprendiendo el tiempo de arco). Esta condicin se realiza en la prctica si se cumple que ILR1 / ILR2 > 1,6. En la zona de los cortocircuitos La selectividad se trata por comparacin de las curvas del interruptor aguas arriba y del interruptor aguas abajo.

Las tcnicas que permiten llegar a la selectividad en cortocircuito entre dos interruptores automticos se apoyan en el empleo de interruptores automticos y rels de tipo o regulaciones diferentes, evitando que las curvas se superpongan o sean secantes entre s. Estas tcnicas son mltiples y se presentan en el prximo captulo.

Zonas de selectividadEn una instalacin de distribucin elctrica pueden presentarse dos tipos de defectos por sobreintensidad: n las sobrecargas, n los cortocircuitos. Generalmente consideramos que las sobrecargas son las sobreintensidades comprendidas entre 1,1 y 10 veces la intensidad de servicio. A partir de este valor, se trata de cortocircuitos que conviene eliminar en el menor tiempo posible, por la intervencin de los rels instantneos (INS), o de corto retardo (CR) de los interruptores automticos.

tc

zona de selectividad de las sobrecargas D2 D1

sobrecargas

cortocircuitosp

L R2

L R1

i n s2

Fig. 3: Selectividad a las sobrecargas.


2

Las tcnicas de selectividad en cortocircuito

Son numerosas las tcnicas que permiten alcanzar el objetivo de la selectividad en cortocircuito entre dos aparatos: n la selectividad amperimtrica, n la selectividad cronomtrica, n la selectividad SELLIM, n la selectividad lgica, n la selectividad energtica (objeto de los captulos 3 y 4).

Selectividad amperimtricaEs el resultado de la separacin entre los umbrales de los rels instantneo o de corto retardo de los interruptores automticos sucesivos. Se usa, sobre todo, en distribucin terminal, con la instalacin de los interruptores automticos rpidos, desprovistos de dispositivo de retardo intencional a la desconexin. Se aplica a los casos de cortocircuito y conduce generalmente a una selectividad parcial. Es tanto ms eficaz cuanto ms diferentes son las corrientes de defecto en uno u otro punto de una red, debido a la impedancia no despreciable de los conductores, sobre todo los de seccin dbil (figura 4). La zona de selectividad es tanto ms importante cuanto mayor es la separacin entre los umbrales de los rels instantneos de D1 y D2 y que el punto del defecto est alejado de D2 (Icc dbil < Iins de D1). La relacin mnima entre Iins1 e Iins2 es de 1,5 teniendo en cuenta la precisin de los valores de umbral.

garantizada si las dos partes horizontales de las curvas, a la derecha de Iins1, son distintas. Para alcanzar esta condicin podemos usar varias soluciones: n la ms clsica consiste en elegir interruptores automticos selectivos, equipados con un dispositivo de retardo intencional, n la segunda se aplica solamente al ltimo nivel de la distribucin y consiste en la utilizacin de un interruptor automtico limitador. Empleo de interruptores automticos selectivos El trmino selectivo tiene dos significados: n el rel del interruptor automtico est equipado con un sistema de temporizacin fijo o regulable; n la instalacin y el interruptor automtico son capaces de soportar la corriente de defecto durante el tiempo del retardo intencional (umbral trmico y umbral electrodinmico). Un interruptor automtico selectivo va precedido normalmente, aguas arriba, de otro interruptor automtico selectivo cuyo retardo intencional es ms importante. El empleo de este tipo de interruptores automticos que corresponde a la selectividad cronomtrica conduce, en caso de defecto, a tiempos totales de ruptura superiores a 20 ms (un perodo), pudiendo llegar hasta algunos centenares de ms (figura 5). Cuando la instalacin y, eventualmente, el interruptor automtico no son capaces de soportar durante la temporizacin un alto valor de Icc, es necesario que el interruptor automtico D1 est equipado con un rel instantneo de umbral alto (DIN). En este caso, la zona de selectividad est limitada al umbral del (DIN) del interruptor automtico situado aguas arriba (figura 5).

Empleo de interruptores automticos limitadores y selectividad pseudo-cronomtrica Estos interruptores automticos estn caracterizados por: n el hecho de que limitan fuertemente la corriente de cortocircuito gracias a su velocidad de apertura y a su tensin de arco elevada,tc D2 D1

zona de selectividad a los cortocircuitos

p ins2 ins1

lmite de selectividad a los cortocircuitos Fig. 4: Selectividad amperimtrica.

tc D2 D1

D2: rpido D1: selectivo a saltos de corto retardo 1-2-3 lmite de capacidad trmica de la instalacin o del interruptor automtico

Selectividad cronomtricaPara garantizar una selectividad total, las curvas de disparo de los dos interruptores automticos no deben superponerse en ningn punto, cualquiera que sea el valor de corriente presunta. Para corrientes de defecto importantes, la selectividad total est

3 2 1ins1 DIN1

p

Nota: El empleo de un rel instantneo de umbral alto DIN, fija el lmite de selectividad. Fig. 5: Selectividad cronomtrica.


n el hecho de que cuanto mayor es la corriente de cortocircuito presunta, tanto ms rpidos son. Con ello, la eleccin de un interruptor automtico limitador aguas abajo permite obtener una selectividad pseudo-cronomtrica entre dos niveles de proteccin. Esta solucin, por su efecto de limitacin y rapidez en eliminar el defecto, permite adems limitar las solicitaciones trmicas y electrodinmicas en las instalaciones (figura 6).

Selectividad SELLIMEl sistema SELLIM resulta interesante desde varios aspectos: n la selectividad, n la filiacin, n la reduccin de las solicitaciones en la instalacin. Consiste en instalar, aguas arriba de un interruptor automtico rpido D2, un interruptor automtico ultra limitador D1, equipado con un rel especfico cuya caracterstica distintiva es que no desconecta con la primera semionda de corriente de defecto (figura 7). Un defecto producido en B ser percibido por los dos interruptores automticos.

D2, equipado con un rel instantneo se abre a partir del instante que la corriente de defecto es superior a su umbral de disparo y elimina el defecto en menos de un semiperiodo. D1 ve solamente una semionda de corriente y no desconecta. Pero la corriente de defecto provoca la repulsin de los contactos con lo que limita la corriente y las solicitaciones correspondientes. Esta limitacin de la corriente de defecto permite el empleo, aguas abajo, de interruptores automticos con poder de ruptura inferior a la corriente de defecto presunta. Un defecto en A provoca la repulsin de los contactos del interruptor automtico limitador lo que conlleva

una limitacin de las solicitaciones debidas a la corriente de defecto y la de corriente limitada.

Selectividad lgicaEste sistema necesita de una transferencia de informaciones entre los rels de los interruptores automticos de los diferentes niveles de la distribucin radial. Su principio es simple (figura 8): n todos los rels que ven una corriente superior a su umbral de funcionamiento envan una orden de espera lgica al que est justamente aguas arriba. n el rel del interruptor automtico situado inmediatamente aguas arriba del cortocircuito no recibe orden de espera y dispara inmediatamente. Con este sistema, en todos los niveles de la distribucin, los tiempos de eliminacin de un defecto quedan cortos. La selectividad lgica se aplica a los interruptores automticos de baja tensin selectivos de alta intensidad, sobre todo se utiliza en las redes industriales de alta tensin. Para ms detalles ver el Cuaderno Tcnico n 2 Proteccin de las redes por el sistema de selectividad lgica.

defecto en B i1 D1 u1 i2 A D2 B i3 u3 ^ 26 kA u2

2,5 mstc D2 D1 D2: rpido, limitador D1: rpido

defecto en A i1 u1 i2 u2 ^ 34 kA

D1

rel lgico

orden lgica de espera

p

i3 u3

D2

rel lgico

Nota: El empleo, sobre D1, de rels de corto retardo dependiente (en puntos) favorece la selectividad.

3,5 ms 12 ms

Fig. 6: Selectividad pseudocronomtrica.

Fig. 7: Selectividad SELLIM (D1 = compact C 250 L SB D 2 = compact C 125 N).

Fig. 8: Selectividad lgica.


Empleo de los diferentes tipos de selectividadLos diferentes sistemas de selectividad presentados se combinan entre s habitualmente para obtener una mejor disponibilidad de la energa elctrica; ver a ttulo de ejemplo la figura 9. Actualmente, los estudios de selectividad se realizan con la ayuda de tablas elaboradas por los constructores. Dan los lmites de selectividad para cada combinacin de interruptores automticos y para cada uno de los rels. Los costes resultantes de una no selectividad eventual y de la eleccin de la aparamenta deben tenerse muy en cuenta. La selectividad energtica presenta, en el prximo captulo, una innovacin que simplificar considerablemente los estudios en distribucin en baja tensin y permitir obtener, en muchos niveles, la selectividad total con un menor coste.

circuito afectado origen de la instalacin distribucin de potencia

tipo de selectividad lgica cronomtrica SELLIM pseudocronomtrica

tipo de interruptor automtico selectivo lgico selectivo rpido limitador SELLIM rpido rpido limitador

distribucin terminal

Fig. 9: Ejemplo de empleo de los diferentes tipos de selectividad.


3

La selectividad energtica

La selectividad energtica es una mejora y una generalizacin de la selectividad pseudo-cronomtrica descrita en el captulo anterior: la selectividad es total si, para cualquier valor de Ip, la energa que deja pasar el interruptor automtico situado aguas abajo es inferior a la energa necesaria para entrar en accin el rel del interruptor automtico situado aguas arriba. La tecnologa del principio de selectividad energtica ha sido objeto de una patente internacional por parte de Merlin Gerin, con la creacin de la gama de interruptores automticos Compact NS. Estos interruptores automticos rpidos y fuertemente limitadores responden a la evolucin de una necesidad: n aumento de las potencias instaladas, lo que representa un incremento de las corrientes de cortocircuito y de los poderes de ruptura necesarios, n preocupacin por minimizar las solicitaciones en la instalacin y limitar la corriente de defecto en intensidad y duracin. Para razonar en energas y comprender la selectividad energtica un elemento importante es la eleccin del cuadro de representacin de las curvas de funcionamiento, segn se define seguidamente, en el prximo apartado. Examinaremos seguidamente el comportamiento energtico de los interruptores automticos limitadores y sus diversos rels.

Cuadro de representacin de las energasLas energas tc = f (Ip) normalmente utilizadas para los estudios de selectividad no son de aplicacin con los interruptores automticos limitadores cuando las corrientes son superiores a 25 In (ello corresponde

a los tiempos de ruptura inferiores a 10 ms, a la frecuencia de 50 Hz). La selectividad debe estudiarse a partir de los fenmenos transitorios y ya no a partir de los fenmenos peridicos. La comprensin de la selectividad energtica necesita la caracterizacin y la explotacin de: n la onda de corriente que deja pasar el interruptor automtico durante la ruptura, caracterizada por su integral de Joule i 2 d t (generalmente expresada como I 2 t ) que corresponde a la energa de ruptura Ec, n la sensibilidad de los rels ante la energa correspondiente al impulso de corriente. As, lgicamente estas caractersticas se pueden representar por las curvas I 2 t = f (Ip) y tc = f (Ip) (figura 10). Hay que notar que la norma CEI 947.2 prev la caracterizacin de los interruptores automticos por sus tipos de curvas. Por razones prcticas, la curva I 2 t = f (Ip) se representa en un sistema de coordenadas logaritmologaritmo. Para el estudio de la selectividad, los lmites de I 2 t de ruptura (Ec de los interruptores automticos) se sita entre 104 y 107 A2s para valores de corriente presunta entre 1 y 100 kA. En el diagrama cartesiano tomaremos tres dcadas para los valores de Ec y dos para la corriente. Si consideramos que la semionda de corriente cortada es equivalente a una semi-senoide con una pendiente en el origen igual a la corriente presunta, la energa de ruptura Ec puede expresarse en funcin de Ip a partir de las expresiones siguientes (ver anexo de ruptura con limitacin): o para t 10 ms (2) Ec = I p 2 t o para t < 10 ms (3) Ec = 4 . f2 . Ip2 . tvc3

2.t (A2 . s)

p(A) 10 n

t(s)

LR

CR1 CR2 INS p(A) 10 n 15 n 30 n

Fig. 10: Curvas tc = f (Ip) e I2t = f (Ip) de un interruptor automtico equipado con un rel electrnico.


(4) Ec =c 3 p

4 2.f.

. t (A . s) 7 102

40 ms 20 ms 10 ms

2

7 ms

Partiendo de estas ecuaciones es posible mejorar el diagrama de ejes I2.t/Ip para obtener informaciones suplementarias: tiempo virtual de ruptura (tvc) y valor de cresta de corriente limitada (c). Lneas de los tiempos (figura 11) Sobre el diagrama I2.t/Ip puede trazarse una familia de rectas correspondientes a las condiciones de ruptura o tiempo constante para una frecuencia determinada. Ejemplo: para f = 50 Hz determinamos las rectas para: n t = 20 ms correspondiente al tiempo de ruptura a considerar ms corrientemente ya que Ip es superior al umbral de disparo instantneo e inferior al de repulsin de los contactos: (2) Ec = Ip2 . 2 . 10-2 n t = 10 ms que es el tiempo de ruptura en el umbral de la limitacin: (2) Ec = Ip2 .10-2 n t = 9 a 4 ms que corresponde al comportamiento del interruptor automtico como limitador: (3) Ec = Ip2 . tvc3 . 104 Lneas de corrientes de cresta A partir de la ecuacin (4)Ec =c 3

5 ms

= 40 kA 2,5 ms 106

= 20 kA

10

5

= 10 kA

= 5 kA 104

p (kA) 1 3 5 10 30 50 100

Fig. 11: Grfico de representacin de las energas.

. t (A . s) 7 102

40 ms 20 ms 10 ms

2

7 ms

5 ms

= 40 kA 2,5 ms 106

4 2.f.

p

A (E) C (B) D

F

se construye una familia de rectas que corresponde a los valores de cresta limitadas constantes (figura 11). Es de notar que esta tabla de representacin permite caracterizar los interruptores automticos y los rels a 50 Hz, para los defectos tripolares, bipolares o unipolares.

= 20 kA

10

5

= 10 kA

= 5 kA 104

p (kA) 1 3 (10 n) 5 10 30 50 100

Fig. 12: Curva de ruptura de un interruptor automtico limitador.


Caractersticas de un interruptor automtico Compact NSRepresentacin de I2t de ruptura La caracterstica del valor de I2t que deja pasar un interruptor automtico sale de los ensayos de tipo normalizados o de simulaciones numricas realizadas a una tensin y frecuencia determinadas. Las curvas que siguen corresponden a defectos trifsicos a 400 V - 50 Hz. Pueden construirse curvas similares para otras frecuencias y tensiones. Los valores utilizados son los mximos obtenidos para diferentes ngulos de disparo o desconexin (figura 12). Interpretacin de la curva Sobre la curva de la figura 12, que corresponde a un interruptor automtico compact NS, de calibre 250 A, equipado con un rel electromecnico a corto retardo dependiente (CRD) con umbral a 10 In, aparecen una serie de informaciones. Estas informaciones caracterizan las diferentes fases del comportamiento, en ruptura, del interruptor automtico limitador, segn el valor de la corriente de cortocircuito presunta Ip. n punto A: a partir del punto en que la corriente de defecto alcanza el umbral de funcionamiento del rel, el tiempo de ruptura es tpicamente de 50 ms para un rel INS o CRD, n punto B: cuando la corriente de defecto supera el umbral de funcionamiento del rel, el tiempo de ruptura disminuye y se estabiliza en 20 ms a partir de 16 In, n punto C: cuando la corriente de defecto se sita al nivel del umbral de repulsin de contactos, se produce un inicio de la limitacin de la corriente por la aparicin de una cada de tensin de arco en el circuito. Esta limitacin provoca una reduccin en los tiempos de paso por cero de la corriente con lo que la eliminacin del defecto pasa de 20 ms a 10 ms a medida que aumenta Ip,

n punto D: cuando la corriente de defecto es del orden de 1,7 veces el umbral de repulsin, la energa de propulsin de los contactos es suficiente para que stos se separen totalmente; el tiempo de ruptura es entonces tpicamente 10 ms. Esta ruptura, de tipo reflejo, es autnoma y no precisa un rel si no es para confirmar el estado de desconexin del interruptor automtico y evitar que los contactos cierren nuevamente de forma intempestiva, n zona E: cuando la corriente de defecto evoluciona alrededor de 2 veces el valor umbral de repulsin de los contactos, la limitacin de la corriente de defecto es cada vez ms eficaz, lo que se traduce en que los tiempos de ruptura son cada vez ms cortos, n punto F: el final de la curva representa el lmite del poder de ruptura del interruptor automtico.

La curva que se ha trazado es muy rica en informaciones: n I2t de ruptura en funcin de la corriente presunta; n umbral de disparo (I umbral; punto A); n corriente de inicio de repulsin (Ir; punto C); n poder de corte (PdC) (punto F); n tiempo de ruptura (tvc) en funcin de la corriente presunta; n corriente de cresta limitada (c) en funcin de la corriente presunta; n corriente a partir de la cual tvc < 10 ms (inicio de la limitacin).

Caractersticas de los relsLos rels vienen caracterizados por el tiempo de respuesta ante una corriente determinada, (onda, semionda, ).

. t (A . s) 7 102

40 ms 20 ms 10 ms

2

7 ms

5 ms

= 40 kA 2,5 ms 10tem por fijo iza c 20 ms in (CR ) DIN6

n ci ) iza por (CRD tem ble ia var o (INS) instantne

= 20 kA

10

5

= 10 kA

= 5 kA 104

p (kA) 1 3 (10 n) 5 10 30 50 100

Fig. 13: Curvas de diferentes rels magnticos.


Haciendo variar la duracin y el valor de cresta de la corriente, lo que corresponde con diferentes corrientes limitadas por un interruptor automtico, se obtiene, por ensayos sucesivos, una serie de puntos que pueden situarse sobre el grfico descrito anteriormente con la finalidad de obtener la curva caracterstica de un rel. Rels magnticos n rel instantneo Constituido, generalmente, de una U de material magntico que constituye el ncleo y de una armadura, generalmente mvil, asegura la proteccin contra los cortocircuitos. Su tiempo de intervencin es inferior a 50 ms en su umbral de funcionamiento (situado entre 5 y 10 veces la corriente nominal) y decrece rpidamente por debajo de 10 ms cuando la corriente aumenta (figura 13). n rel de umbral alto (DIN) Como se ha indicado en el prrafo correspondiente de selectividad cronomtrica, los DIN tienen por misin en el cuadro de empleo de la selectividad cronomtrica, limitar las solicitaciones trmicas (figura 5) sobre la instalacin y el aparato de ruptura. El rel DIN es un rel instantneo con un umbral de varias decenas de In Puede ser de tipo electromagntico o electrnico. n rel a temporizacin constante Se trata de un rel instantneo equipado con un sistema de retardo tipo relojera con la finalidad de convertir su disparo selectivo en relacin al interruptor automtico instalado aguas abajo. Los retardos pueden estar comprendidos entre 10 y 500 ms, generalmente son regulables por escalones. La figura 13 describe la curva (escaln 20 ms) correspondiente a un retardo corto. Si la corriente trmica (I2t), por su retardo importante, debe limitarse, interviene el DIN (figura 13).

n rel a temporizacin variable en funcin de Ip (corto retardo dependiente: CRD). La temporizacin se realiza por la inercia de una masa; esta temporizacin es inversamente proporcional a Ip (figura 13). Rel electrnico Los disparos instantneos de los rels electrnicos son sensibles al valor eficaz (RMS) o al valor de cresta de la corriente. Su caracterstica I2t est situada, para valores de corriente de defecto importantes, tericamente sobre una recta c = constante. En realidad esto es cierto para tiempos de impulsin de corrientes superiores al tiempo de reaccin del conjunto accionador del rel (tpicamente 4 ms), por debajo de este valor la inercia de la parte

mecnica del rel hace que se retorne, para valores altos de Ip, a una caracterstica del tipo rel electromecnico instantneo. Entonces, es necesario caracterizar el rel por la curva caracterstica Ec = f (Ip) efectuando ensayos idnticos a los efectuados con los rels magnticos. Estos rels pueden ser del tipo instantneo o del tipo retardado. Es posible asociar varios tipos de rels electrnicos, por ejemplo: n 10 a 15 In CR (40 ms), n 15 a 30 In CR (10 ms), n > a 30 In INS. La figura 14 ilustra este ejemplo, las curvas de esta asociacin son comparables a las de la figura 10 en cuanto a la energa de ruptura del interruptor automtico.

. t (A . s) 7 102

40 ms 20 ms 10 ms

2

7 ms

40

ms

(CR

)

5 ms= 40 kA 2,5 ms = 20 kA = 10 kA

do riza tem10

po

tem

po ri(INS)

10

5

zad

6

o1

0m

s

= 5 kA 104

p (kA) 1 3 (10 n) 5 10 30 50 100

Fig. 14: Ejemplo de asociacin de curvas de rels electrnicos.


Rels con deteccin de arco Los detectores de arco generalmente van asociados a rels electrnicos y pueden utilizarse para asegurar la proteccin: n de una celda: si en el interior de la celda se produce un arco, el detector ordena la apertura del interruptor automtico de entrada, n de un interruptor automtico selectivo: el detector de arco, situado en la cmara de ruptura, provoca, va el rel electrnico, el disparo instantneo del interruptor automtico. Con ello se realiza la autoproteccin del aparato y permite su empleo, justo hasta el lmite de su capacidad electrodinmica. Rel a presin En la cmara de ruptura de un interruptor automtico aparece una presin, que es consecuencia de la energa desarrollada por el arco. Esta presin puede, a partir de cierto nivel de la corriente de defecto, ser un medio de deteccin y de disparo. Ello puede obtenerse canalizando la expansin de los gases contenidos en el recinto de ruptura hacia un

pistn de mando de un sistema de disparo del interruptor automtico (figura 15). El rel a presin puede utilizarse: n para asegurar la autoproteccin de un interruptor automtico selectivo, (como el detector de arco), n para mejorar el comportamiento en ruptura y la seguridad de funcionamiento de un interruptor automtico limitador rpido.

Si a cada interruptor automtico se le asocia un rel a presin bien calibrado, la selectividad entre los interruptores automticos de diferente calibre queda garantizada para cualquier sobreintensidad superior a 20 In. Es este rel a comportamiento energtico (I2t constante), que constituye la base de la selectividad energtica empleada en los interruptores automticos limitadores Compact NS.

P1

P2

P3

cmaras de arco

vlvulas

defecto en fase 1 presin P 1 presin P2 y P3

pistn

Fig. 15: Principio del rel a presin.


4 Inters y aplicacin de la selectividad energtica

Recordemos que el sistema de disparo de un interruptor automtico, tanto si es electromecnico, electrnico o mixto, debe ser el mejor posible a nivel de los siguientes criterios: n solicitaciones mnimas para la instalacin (limitar c e I2t), n garanta de disparo (seguridad), n perturbacin mnima de la parte sana de la instalacin (bajadas de tensin), n facilidad de los estudios de selectividad.

Seguridad de funcionamiento El rel a presin forma parte del mecanismo de apertura sobre el cortocircuito y depende del calibre del interruptor automtico. El rel CRD regulable (calibre), tanto si es de tipo electromecnico (figura 13) o electrnico (figura 14) es fsicamente independiente del rel a presin. Esta separacin fsica mejora la seguridad de funcionamiento.

Bajadas de tensin En una instalacin, las bajadas de tensin solicitan los rels de mnima o falta de tensin de los interruptores automticos y de los contactores. Su apertura intempestiva, a consecuencia de una bajada de tensin provocada por un cortocircuito, conlleva una prdida de continuidad de servicio. Es por esto que un estudio de selectividad tambin comprende el

40 ms 20 ms 10 ms

Interruptor automtico equipado con un rel a presinEl rel a presin, asociado a un rel CDR, electromagntico o electrnico a doble corto retardo permite responder en forma ptima a los criterios indicados anteriormente. La figura 16 muestra la sensibilidad energtica de esta asociacin. Cuanto mayor es la corriente de cortocircuito presunta, tanto menor es el tiempo de reaccin, lo que conduce a una desconexin a energa I2.t casi constante. La energa que deja pasar el interruptor automtico limitador, en la ruptura, sigue la misma ley, con un ligero decalado. Solicitaciones para la instalacin Las solicitaciones son reducidas en comparacin con las observadas con los interruptores automticos limitadores de la generacin precedente. Si retomamos el ejemplo de la figura 16, para un interruptor automtico Compact NS 250 A y un Ip de 40 kA: n el tiempo de ruptura es de 4 ms, n la corriente de cresta es de 20 kA, n el I2t es de 8 . 105 . A2 . s.

. t (A . s) 7 102

2

7 ms

5 ms

= 40 kA2,5 ms 106

rel a presin0m s CR 4 ms

= 20 kA

10

CR

5

10

= 10 kA = 5 kA104

p (kA) 1 3 5 10 30 50 100

Fig. 16: Curvas de asociacin de rels (electromagntico y presin o electrnico y presin).


umbral de los contactores e interruptores automticos en cuanto a rels y bobinas de mnima tensin ante las bajadas de tensin. La bajada de tensin en la red tendr la misma duracin que la tensin de arco, que se opone a la tensin del generador o generadores, permitiendo la extincin de la corriente; la bajada de tensin es, pues, funcin del tipo de interruptor automtico y del rel utilizado: n con los interruptores automticos no limitadores, la bajada de tensin es importante y su duracin del orden de 10 a 15 ms (figura 17), n con los interruptores automticos limitadores, la aparicin rpida de una tensin de arco significativa permite minimizar la bajada de tensin en duracin y amplitud (figura 17).

La bajada de tensin es del orden de 5 ms y del 50% de la tensin nominal para las corrientes cercanas al valor de repulsin de los contactos. La bajada de tensin es del orden de 30% de la tensin nominal para corrientes ms elevadas pero con tiempos del orden de 3 a 4 ms. Cuanto mayor es Icc tanto mayor la bajada de tensin y tanto menor su duracin. Los rels de mnima tensin, eventualmente asociados a los interruptores automticos no se ven afectados por tales bajadas de tensin. Selectividad La energa que deja pasar el interruptor automtico que corta est fuertemente limitada, es insuficiente

para solicitar el rel del interruptor automtico situado aguas arriba, que permanece cerrado.

La selectividad con los Compact NSLa gama Compact NS, que comprende los tamaos 100 - 160 250 - 400 - 630 A permite, por aplicacin de la selectividad energtica, segn sea la relacin de tamaos y calibres de los interruptores automticos empleados, obtener selectividad parcial o selectividad total hasta el poder de ruptura. Selectividad total La figura 18 muestra un ejemplo de selectividad total hasta 150 kA, en

ur i ua

. t ( A . s) 7 102

40 ms 20 ms 10 ms

2

7 ms

magntico 100 A

ST 400 ST 500 ST 630

5 ms ruptura = 40 kA no disparo 2,5 ms 2,5 ms ruptura no disparo = 20 kA ruptura no disparo = 10 kA

630 A 630 A 250 A

a) interruptor automtico no limitador U, i t (ms) 10 i ur b) interruptor automtico fuertemente limitador U, ua 20

10

6

ST 160 ST 200 ST 250

250 A

100 A 105

100 A

ic 5

ua ur 10 t (ms) 20

= 5 kA 104

p (kA) 1 3 5 10 30 50 100

Nota: ST 160 - ST 200 y ST 250: rels electrnicos colocados sobre interruptores automticos de calibre 250 A. ST 400 - ST 500 y ST 630: rels electrnicos colocados sobre interruptores automticos de calibre 630 A. Fig. 18: Selectividad total entre los interruptores automticos Compact NS de tamaos 100, 250 y 630 A.

Fig. 17: Las bajadas de tensin en la red dependen del tipo de interruptor automtico empleado.


tres etapas, con interruptores automticos de tamao 100, 250, 630 A equipados con diversos rels. Para que haya selectividad total es suficiente que la energa que deja pasar un interruptor automtico sea inferior a la energa necesaria para el funcionamiento del rel de disparo del interruptor automtico instalado inmediatamente, aguas arriba. Regla prctica La selectividad es total, salvo excepciones, si: n los tamaos de los interruptores automticos sucesivos se hallan en la relacin a 2,5, n los calibres estn en una relacin superior a 1,6. Selectividad parcial Si la regla prctica enunciada anteriormente no se respeta, la selectividad ser parcial. La figura 19 muestra que, entre un interruptor automtico de tamao 160 A y otro de tamao 250 A, equipado con rel de 250 A, la selectividad est asegurada hasta una corriente de cortocircuito presunta de 4 800 A. Este lmite es ms elevado que el obtenido en el mismo caso, con los Compact estandard. Filiacin con los Compact NS Recordemos que la filiacin, cuyo empleo est recomendado y previsto por la norma UNE 20 460, permite al interruptor automtico situado aguas arriba, ayudar al interruptor automtico situado aguas abajo a cortar las fuertes corrientes de cortocircuito; esto, claro est y es necesario de precisar, en detrimento de la selectividad (salvo con el sistema SELLIM). En los Compact NS, la filiacin no modifica en nada la selectividad total o parcial descrita arriba. Por contra, un Compact NS puede incluso ayudar a un interruptor automtico de tipo diferente situado aguas abajo, con poder de ruptura insuficiente.

Asociacin con el material tradicional de proteccinInterruptores automticos estandard En una instalacin existente, los interruptores automticos fuertemente limitadores Compact NS pueden utilizarse para ampliar la instalacin existente o reemplazando un interruptor automtico existente, sin perturbar el lmite de selectividad

alcanzado inicialmente. En efecto, si el nuevo interruptor automtico es: n aguas abajo, el fuerte poder limitador del nuevo aparato slo puede mejorar el lmite de selectividad que puede convertirse, si no lo era, en total (figura 20), n aguas arriba, el lmite de selectividad es, al menos, al anterior valor y el fuerte poder de limitacin del interruptor automtico Compact NS refuerza eventualmente la filiacin.

. t ( A . s) 7 102

40 ms 20 ms 10 ms

2

7 ms

160 A ( 8 n)

250 A (10 n)

5 ms = 40 kA 2,5 ms ruptura 160 A no disparo 250 A = 20 kA = 10 kA

10

6

lmite de selectividad 105

= 5 kA 104

p (kA) 1 3 5 10 30 50 100

Fig. 19: Selectividad parcial entre interruptores automticos Compact NS 250 A y 160 A.


Fusibles Las curvas I2 . t = f (Ip) (facilitadas por los fabricantes de fusibles) determinan: n la energa necesaria para la fusin (prearco), n la energa que pasa por el fusible durante la ruptura. Para que exista selectividad, entre un interruptor automtico, situado aguas arriba, y un fusible, el rel del interruptor automtico no debe ser sensible a la suma de estas energas.. t (A . s) 7 102

40 ms 20 ms 10 ms

2

7 ms

magntico 630 A

H C 250 N C 250 L = 40 kA 2,5 ms no disparo

10

6

NS 250

5 ms

= 20 kA

10

5

= 10 kA

= 5 kA 104

p (kA) 1 3 5 10 30 50 100

Fig. 20: La sustitucin de un interruptor automtico Compact NS C 250 N, H o L por un Compact NS 250 proporciona una mejor selectividad. En este caso, se transforma en total.

5 Conclusin

Los interruptores automticos fuertemente limitadores, tanto ms rpidos cuanto ms importante es la corriente presunta de defecto, permiten normalmente con slo respetar unas simples reglas, obtener una selectividad total en caso de varios niveles de distribucin. Esto antes de eventualmente hacer uso de la selectividad cronomtrica.

Es esta una innovacin tcnica importante que permite: n simplificar considerablemente los estudios de selectividad, n minimizar los esfuerzos electrodinmicos, las solicitaciones trmicas as como las bajadas de tensin como consecuencia de los cortocircuitos.

Este nuevo principio de selectividad, denominada energtica, puesta a punto gracias al perfecto dominio de la energa que permiten pasar los interruptores automticos al producir la ruptura, as como la sensibilidad de los rels a esta mnima energa contribuye a mejorar la disponibilidad de la energa elctrica.


6

Anexo: repaso sobre la ruptura con limitacin

La figura 21 muestra la evolucin de las corrientes y tensiones correspondientes al fenmeno de limitacin sobre un semiperodo. La ley que aplicamos sobre la evolucin de la corriente de cortocircuito (ic) es:

n tvc < 10 ms El interruptor automtico limita la corriente de defecto. ic e ip tienen, como se ha indicado anteriormente, la misma pendiente en el origen, pues:di dt = . p. 2= 'c

resulta: 2 . Ec tvc = tvc . 2 . f . p . 2

(

)

2

de donde: Ec = 4 . f2 . Ip2 . tvc3 (3). Volviendo nuevamente a (1) y combinando con c:tvc = 2 . Ecc 2

Ur - Ua = r . i + L .

di dt

L.

di dt

n en el origen del cortocircuito, Ua es nula, no hay arco, con lo que ic e ip son iguales y tienen la misma pendiente. n cuando Ua se iguala a Ur, ic pasa por su valor mximo (c) ya que su derivada es nula. n cuando Ua es superior a Ur, ic decrece y se anula en un tiempo tc. Se comprueba que la onda de corriente cortada es equivalente a una semi-senoide de perodo igual a dos veces el tiempo virtual de ruptura (tvc). Con estas informaciones se consigue fcilmente determinar la energa disipada en las impedancias del circuito afectado. La expresin reducida de esta energa, que denominamos energa de ruptura es:tvc

con ' =

tvc

=

c

2.f. p. 2

tvc . . Ip . 2 = . c de donde: c = tvc . 2 . f . Ip . 2 o: tvc =c

de donde se obtiene:Ec =c 3

4. 2.f. p

(4)

2.f.

p.

2

Si de la expresin anterior (1) se extrae:c 2

=

2 . Ec tvc

Las expresiones (3) y (4) permiten trazar las rectas de los tiempos de ruptura y valores de cresta de las corrientes limitadas en el diagrama doble logartmico de energas de ruptura y corrientes de cortocircuito presuntas.

U,i Ua di/dto Ur

Ec =0

ic2 . dt

siendo ic, una funcin senoidal

Ec =

1 2

ip

. c2. tvc (1)c

Es interesante expresar Ec en funcin de Ip y del tiempo (tvc) de duracin de la ruptura. n tvc 10 ms Este tiempo significa que la corriente de defecto es de poca importancia pues los contactos del interruptor automtico no presentan repulsin y no se considera el efecto limitador de la tensin de arco, luego: ic = ip e c = 2 . Ip; con ello, la expresin (1) se transforma en: Ec = Ip2 . t (2).

ic

ir t 0 tr ta tvc tc T/2

Ua: tensin de arco Ur : tensin de la red ip: corriente presunta ic : corriente limitada c: corriente de cresta cortada ir : corriente de repulsin de los contactos Fig. 21: Ruptura con limitacin.

^ t : instante de c ta : instante de la aparicin del arco tc: tiempo de corte tr : instante de repulsin de los contactos tvc: tiempo virtual de corte : pulsacin de la onda cortada


selectividad energetica

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