TECNICO EN PROTECCIONES ELECTRICAS

4. COORDINACION DE PROTECCIONES

Celaya, Gto. Mayo 2005 Centro de Capacitacin Celaya

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CONTENIDO

1.0 INTRODUCCION 11.1 Por qu de la proteccin? 11.2 Conceptos fundamentales de los sistemas de distribucin 21.3 Definicin de los elementos de los sistemas de distribucin 21.4 Naturaleza de las fallas 3

1.4.1 Fallas de naturaleza transitoria 31.4.2 Fallas de naturaleza permanente 3

1.5 Los sistemas de distribucin, la naturaleza de sus fallas y la definicin de su sistema de proteccin 4

1.5.1 Tipos de fallas 51.5.2 Tipos de fallas y causas 5

1.6 Zonas de proteccin 61.7 Caractersticas funcionales de la proteccin 8

1.7.1 Confiabilidad 91.7.2 Rapidez 91.7.3 Economa 101.7.4 Simplicidad 101.7.5 Selectividad 10

1.7.5.1 Esquema de coordinacin por tiempo 101.7.5.2 Esquema unitario 11

2.0 DISPOSITIVOS DE PROTECCION POR SOBRECORRIENTE 112.1 Conceptos generales 112.2 Fusibles 13

2.2.1 Principio de operacin 132.2.2 Tipos de fusibles 152.2.3 Fusibles tipo expulsin 162.2.4 Las dos mayores desventajas de los fusibles 172.2.5 Seleccin de fusibles 17

2.3 Restauradores 182.3.1 Principio de operacin 192.3.2 Caractersticas de tiempocorriente de operacin 202.3.3 Seleccin y ubicacin de restauradores 22

2.4 Seccionalizadores 232.4.1 Principio de operacin 232.4.2 Factores a considerar en la seleccin e instalacin de seccionalizadores 24

2.5 Relevadores de sobrecorriente 252.5.1 Relevador de sobrecorriente instantneo 262.5.2 Relevador de sobrecorriente de tiempo inverso 272.5.3 Relevador de sobrecorriente esttico 292.5.4 Relevador de sobrecorriente digital (numrico o microprocesado) 302.5.5 Equipo asociado a los relevadores de sobrecorriente 33

2.5.5.1 Interruptor de potencia 342.5.5.2 Transformadores de corriente 34

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2.5.5.2.1 Clasificacin ANSI de la precisin 372.5.5.2.2 Ejemplo 1 382.5.5.2.3 Ejemplo 2 382.5.5.2.4 Ejemplo 3 392.5.5.2.5 Tipos de transformadores de corriente 412.5.5.2.6 Conexiones de los transformadores de corriente 422.5.5.2.7 Efectos de las corrientes de falla en los transformadores de corriente 432.5.5.2.8 Ejemplo 4 43

3.0 CRITERIOS DE COORDINACION Y APLICACION DE PROTEC-CIONES EN SISTEMAS DE DISTRIBUCION 44

3.1 Criterios de aplicacin de esquemas de proteccin en subestaciones de distri-bucin 44

3.1.1 Esquemas de proteccin para transformadores de potencia mayores de 10 MVA 453.1.2 Esquemas de proteccin para transformadores de potencia menores de 10 MVA 46

3.2 Esquemas de proteccin para alimentadores de circuitos primarios de distribu-cin 48

3.2.1 Consideraciones de aplicacin en la seleccin de los esquemas de proteccin 50

3.2.2 Criterios bsicos de ajuste para los esquemas de proteccin contra sobreco-rriente en subestaciones de distribucin 52

3.2.2.1 Proteccin en alta tensin del transformador 523.2.2.2 Proteccin del neutro en baja tensin del transformador 533.2.2.3 Proteccin en baja tensin del transformador 533.2.2.4 Proteccin del alimentador de distribucin 54

3.3 Criterios de aplicacin de protecciones en redes de distribucin 553.3.1 Dispositivos de proteccin contra fallas permanentes 553.3.2 Dispositivos de proteccin contra fallas transitorias 563.3.3 Proteccin contra fallas permanentes y transitorias en las redes de distribucin 56

3.4 Elementos del sistema de distribucin y sus caractersticas 603.4.1 Transformadores 603.4.2 Curvas de dao 603.4.3 Categora I 623.4.4 Categora II 633.4.5 Categora III 643.4.6 Categora IV 663.4.7 Corriente de magnetizacin 693.4.8 Corriente de carga fra 693.4.9 Conexiones de transformadores 69

3.4.9.1 Ejemplo 5 71

3.5 Criterios de coordinacin de protecciones de sobrecorriente en sistemas de distribucin 73

3.5.1 Criterio de coordinacin relevador-relevador 743.5.2 Criterio de coordinacin relevador-restaurador 753.5.3 Criterio de coordinacin relevador-fusible 793.5.4 Criterio de coordinacin relevador-seccionalizador 823.5.5 Criterio de coordinacin relevador-seccionalizador-fusible 843.5.6 Criterio de coordinacin restaurador-restaurador 85

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3.5.6.1 Mtodo I 863.5.6.2 Mtodo II 873.5.6.3 Mtodo III 873.5.6.4 Anlisis comparativo entre los mtodos I, II, III 883.5.6.5 Coordinacin de restauradores electrnicos 943.5.6.6 Criterio de coordinacin restaurador-fusible 953.5.6.7 Secuencia 2A-2B 963.5.6.8 Secuencia 1A-3B y 1A-2B 973.5.6.9 Secuencia 3A-1B, 2A-1B, 1A-1B 97

3.5.6.10 Secuencia 4A, 3A y 2A 973.5.6.11 Secuencia 4B, 3B y 2B 97

3.5.7 Criterio de coordinacin restaurador-seccionalizador 983.5.8 Criterio de coordinacin restaurador-seccionalizador-fusible 1013.5.9 Criterio de coordinacin fusible-relevador 103

3.5.10 Criterio de coordinacin fusible-restaurador 1073.5.11 Criterio de coordinacin fusible-fusible 1083.5.12 Criterio de coordinacin seccionalizador-seccionalizador 110

3.6 Desarrollo de Guas y recomendaciones para la aplicacin y ajuste de disposi-tivos de proteccin de sobrecorriente en sistemas de distribucin 111

3.6.1 Gua bsica para instalacin de protecciones en sistemas de distribucin (Divi-sin Centro-Oriente) 112

3.6.2 Gua para aplicacin y ajuste de protecciones en circuitos de distribucin (Di-visin Centro Sur y Divisin Sureste) 117

4.0 PROGRAMA LINEASRC PARA EL CALCULO DE IMPEDANCIAS DE LINEAS Y CORTOCIRCUITO DE CIRCUITOS RADIALES 119

4.1 Instrucciones para la operacin del programa 1194.2 Descripcin de las opciones del men principal 1194.3 Descripcin de las opciones del men conductores 1204.4 Descripcin de las opciones del men estructuras 1204.5 Descripcin de las opciones del men impedancias 1224.6 Descripcin de las opciones del men c. circuito 1224.7 Ejemplo 6 124

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CAPITULO 4

COORDINACION DE PROTECCIONES

1.0 INTRODUCCIN

1.1 Por qu de la proteccin?

Para entender la funcin de proteccin de los sistemas de potencia con dispositivos de proteccin, uno debe estar familiarizado con la naturaleza y los modos de funcionamiento del sistema de po-tencia elctrico. La energa elctrica es uno de los recursos fundamentales de la sociedad indus-trial moderna. La potencia elctrica est al instante disponible al usuario, al voltaje y frecuencia adecuados y exactamente en la cantidad que se necesita. Esta notable actuacin se logra a travs de la cuidadosa planeacin, diseo, instalacin y funcionamiento de una red muy compleja de generadores, transformadores, y lneas de transmisin y distribucin. Al usuario de electricidad, el sistema de potencia parece estar en un estado-estable: imperturbable, constante e infinito en capacidad. Adicionalmente, el sistema de potencia est sujeto a perturbaciones constantes creadas por los cambios aleatorios de carga, por fallas creadas de causas naturales y algunas veces como resultado de falla del equipo o del personal. A pesar de estas perturbaciones constantes, el sistema de potencia mantiene su casi estado-estable debido a dos factores bsicos: El gran tamao del sistema de potencia en relacin al tamao de las cargas individuales o generadores y la accin teraputica oportuna y rpida tomada por el equipamiento de proteccin en general. La Especialidad de Protecciones es la rama de la Ingeniera Elctrica interesada con los princi-pios de diseo y funcionamiento de los equipos (llamados dispositivos de proteccin) los cua-les detectan condiciones anormales del sistema de potencia, e inician la accin correctiva tan r-pidamente como les sea posible para devolver al sistema de potencia a su estado normal. La rapi-dez de respuesta es un elemento esencial de la proteccin de sistemas tiempo de respuesta del orden de unos pocos milisegundos se requiere a menudo. Por consiguiente, la intervencin humana en el funcionamiento del sistema de proteccin no es posible. La respuesta debe ser au-tomtica, rpida y debe causar una mnima cantidad de ruptura al sistema de potencia. Como los principios fundamentales de proteccin y coordinacin se desarrollan en este documento, el lector percibir que el tema entero se gobernar por estos requisitos generales: el diagnstico correcto de problema, la rapidez de respuesta y perturbacin mnima al sistema de potencia. Para lograr estas metas, debemos examinar todos los posibles tipos de fallas o las condiciones anormales que pueden ocurrir en el sistema de potencia. Debemos analizar la respuesta requerida a cada uno de estos eventos y planear el equipo de proteccin que proporcionar tal respuesta. Debemos exami-nar ms all la posibilidad de que el equipo de proteccin por relevadores no pueda operar co-rrectamente y mantener una funcin de proteccin de respaldo. Debe estar claro que se necesita de sofisticado y vasto equipo para lograr esta tarea.

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1.2 Conceptos fundamentales de los sistemas de distribucin Los sistemas elctricos de potencia estn constituidos bsicamente por tres grandes procesos.

A. Proceso de Generacin B. Proceso de Transmisin C. Proceso de Distribucin

Los procesos de distribucin a diferencia de los sistemas de generacin y transmisin, interactan en forma directa con la mayora de los usuarios de energa elctrica, los cuales esperan un servi-cio que satisfaga sus necesidades en todos los aspectos. El sistema de distribucin como eslabn principal del suministro de energa elctrica, tiene como funcin principal transportar energa elctrica de las subestaciones de potencia o en algunos casos fuentes de generacin a los lugares de utilizacin, este suministro de energa elctrica debe darse bajo parmetros de calidad bien definidos, como son tensin, frecuencia, forma de onda, secuencia de fases y continuidad. Los sistemas elctricos de distribucin en nuestro pas comprenden principalmente seis partes:

a. Lneas de subtransmisin b. Subestaciones de distribucin c. Circuitos de media tensin d. Transformadores de distribucin e. Circuitos de baja tensin

1.3 Definicin de los elementos de los sistemas de distribucin Lneas de subtransmisin. Circuitos de conduccin masiva de energa elctrica a distancia que alimenta e interconecta las subestaciones de distribucin, los niveles de tensin utilizados en nuestro pas son 138, 115, 85 y 69 kV. Subestaciones de distribucin. Conjunto de equipos elctricos necesarios para la conversin y seccionamiento de energa elctrica recibida en bloque y distribuida en diferentes trayectorias a travs de los circuitos de distribucin.

Proceso dedistribucin

Proceso de transmisin y transformacin

Proceso deGeneracin

Figura 4.1 Procesos fundamentales de un sistema elctrico de potencia

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Circuitos de media tensin. Circuitos elctricos que parten de las subestaciones de distribucin y proporcionan la potencia elctrica a los transformadores de distribucin, los niveles de tensin utilizados en el pas van desde 2.4 hasta 34.5 kV. Transformadores de distribucin. Equipo elctrico que reduce la tensin de los circuitos de me-dia tensin a la tensin de utilizacin de los usuarios. Circuitos de baja tensin. Circuito que emanan de los transformadores de distribucin y propor-cionan el camino a la potencia elctrica que ser entregada a los usuarios.

1.4 Naturaleza de las fallas En los sistemas de distribucin, pueden ocurrir principalmente dos tipos de falla segn su natura-leza.

1.4.1 Fallas de naturaleza transitoria Son aquellas donde la prdida de aislamiento de los elementos del sistema sometidos a tensin elctrica, es momentnea, es decir, que se trata de aislamientos del tipo "recuperable". Algunos tipos de fallas transitorias incluyen contactos momentneos con ramas de rboles, flameo por contaminacin o arqueo del aislamiento por descargas atmosfricas, mezclndose en este ltimo caso las ondas de la sobretensin de forma no sostenida con la corriente de frecuencia nominal. Dado el corto tiempo de presencia de este fenmeno, incluso en algunas ocasiones los dispositi-vos de proteccin contra sobrecorriente no llegan a operar dependiendo de la capacidad de auto-recuperacin del aislamiento, por lo que podra establecerse una "auto-liberacin" de la falla sin la accin de una proteccin. Otros tipos de fallas, de las cuales resultan corrientes de frecuencia nominal pueden ser de natura-leza transitoria si la tensin del elemento fallado es interrumpida rpidamente por la accin de un dispositivo de proteccin y luego restablecida despus de que el aislamiento ha recuperado su capacidad dielctrica. Tales fallas pueden resultar de descargas atmosfricas con flameo de ais-lamiento, contacto de aves o animales, movimiento de conductores cercanos, etc.

1.4.2 Fallas de naturaleza permanente Son aquellas donde la prdida de aislamiento del elemento fallado es permanente, al tratarse tanto de aislamientos del tipo "no recuperable", como de aislamientos recuperables en donde su capa-cidad dielctrica es drsticamente reducida. Las fallas permanentes son aquellas que requieren reparacin, mantenimiento o reposicin del equipo antes de que la tensin elctrica pueda ser restablecida en el punto de falla. Su ocurrencia generalmente origina una prdida irreversible del aislamiento cuando ste es del tipo "no recuperable". Si se trata de aislamientos del tipo "recupe-rable", tales como el aire, la prdida del aislamiento es debida a contacto de elementos conducto-res, ya sea entre ellos o a tierra, provocados normalmente como consecuencia de fallas mecnicas o estructurales.

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1.5 Los sistemas de distribucin, la naturaleza de sus fallas y la definicin de su sistema de proteccin

Tanto estadsticas de operacin como numerosos estudios, indican que las fallas en un sistema areo de distribucin tienen el siguiente comportamiento: Entre un 80-95% del total de fallas son de naturaleza transitoria, correspondiendo complementa-riamente entre el 20-5% a fallas permanentes. De las fallas transitorias entre un 90-95% son libe-radas en el primer intento de restablecimiento de la tensin elctrica; entre un 4-6% son liberadas posteriormente al segundo intento de restablecimiento; entre un 2-3% desaparecen despus del tercer intento y entre 0-1% son despejadas despus de un cuarto intento o en posteriores intentos de restablecimiento. A este respecto cabe sealar que en CFE desde 1989 se ha efectuado un se-guimiento estadstico a una muestra promedio de 150 circuitos de distribucin de 30 subestacio-nes en tres Divisiones, tenindose hasta la fecha un total de 12,797 fallas con un patrn de com-portamiento como el que se indica a continuacin:

Fallas permanentes: 10% Fallas transitorias: 90% Fallas transitorias liberadas despus del 1er. intento de restablecimiento: 90% Fallas transitorias liberadas despus del 2do. intento de restablecimiento: 6% Fallas transitorias liberadas despus del 3er. intento de restablecimiento: 3% Fallas transitorias liberadas despus del 4to. intento de restablecimiento:

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Como puede observarse, estadsticamente puede concluirse la justificacin de un mximo de dos intentos de recierre de manera general, ya que intentos posteriores originarn en su mayora ni-camente esfuerzos innecesarios a los equipos y elementos que conforman el sistema de distribu-cin. Por tal razn es necesario establecer de manera particular en cada sistema las polticas co-rrespondientes para el ajuste de los dispositivos de recierre automtico, as como de las directri-ces operativas establecidas para el restablecimiento del servicio en instalaciones afectadas por una falla.

1.5.1 Tipos de fallas Un sistema elctrico a prueba de fallas no es prctico ni econmico. Los sistemas elctricos mo-dernos que como prctica son construidos con altos niveles de aislamiento, tienen suficiente flexibilidad para que uno o ms de sus componentes puedan estar fuera de operacin afectando en forma mnima la continuidad del servicio. Adicionalmente a las deficiencias de aislamiento, las fallas pueden ser resultado de problemas elctricos, mecnicos y trmicos o de cualquier combi-nacin de stos.

1.5.2 Tipos de fallas y causas Para asegurar una adecuada proteccin, las condiciones existentes en un sistema durante la ocu-rrencia de diversos tipos de fallas deben ser comprendidas claramente. Estas condiciones anorma-les proporcionan los medios de discriminacin para la operacin de los dispositivos de protec-cin. La mayora de tipos y causas de falla se encuentran listados en la Tabla 4.1.

Tabla 4.1 Tipos y causas de falla

PRINCIPALES TIPOS Y CAUSAS DE FALLA

TIPO CAUSA

AISLAMIENTO Defectos o errores de diseo, fabricacin inadecuada, instalacin inadecua-da, aislamiento envejecido, contaminacin.

ELECTRICO Descargas atmosfricas, sobretensiones transitorias por maniobra, sobreten-siones dinmicas. TERMICA Falla de enfriamiento, sobrecorriente, sobretensin, temperatura ambiente.

MECANICA Esfuerzos por sobrecorriente, sismo, impactos por objetos ajenos, nieve o viento. Los dispositivos de proteccin deben operar para los siguientes tipos de falla; primero, las cono-cidas como fallas paralelo (o shunt), las cuales tienen la probabilidad de ocurrencia indicada en la Tabla 4.2, para sistemas de distribucin areos con conductor desnudo. Segundo, a menos que sean precedidos o causados por una falla, los circuitos abiertos (fallas se-rie) en sistemas elctricos no ocurren con frecuencia. Consecuentemente muy pocos dispositivos

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de proteccin (relevadores fundamentalmente) son diseados especficamente para proporcionar proteccin contra circuito abierto.

Tabla 4.2 Probabilidad de ocurrencia para diferentes fallas

PRINCIPALES TIPOS DE FALLAS Y SU PROBABILIDAD DE OCURRENCIA

TIPO PROBABILIDAD ( % ) UNA FASE A TIERRA 85 DOS FASES A TIERRA 8 ENTRE FASES 5 ENTRE LAS TRES FASES 2

Es posible encontrar una excepcin en los sistemas de media tensin donde un fusible puede estar abierto. Otro caso particular se encuentra en los sistemas de extra alta tensin donde los interrup-tores estn equipados con mecanismos independientes de manera monopolar. Para fallas simultneas en dos partes de un sistema, generalmente es imposible para un dispositi-vo de proteccin el operar adecuadamente bajo todas las condiciones. Si ambas fallas simultneas estn dentro de la zona de operacin de la proteccin al menos uno de los elementos de deteccin de la misma operar adecuadamente, con la subsecuente operacin secuencial de todas proteccio-nes que estn "viendo" las fallas. Cuando ambas fallas aparecen simultneamente dentro y fuera de la zona de cobertura de protec-cin, algunos equipos presentan una dificultad para determinar si deben actuar o no. Afortunada-mente las fallas simultneas no ocurren con frecuencia y no representa un caso significativo de operaciones incorrectas.

1.6 Zonas de proteccin Para una adecuada aplicacin de dispositivos de proteccin, es necesario considerar los siguientes factores:

- Configuracin del sistema - Impedancias del equipo primario y su conexin - Tensin del sistema - Procedimiento y prcticas operativas - Importancia del elemento del sistema a proteger - Estudio de cortocircuito - Anlisis de cargas o flujos de potencia - Conexin, localizacin y relacin de transformadores de instrumento - Tipo de falla (trifsica, de una fase a tierra, etc.) - Crecimiento de la carga y del sistema

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En base al anlisis de cada uno de los factores anteriores se pueden definir las zonas de protec-cin necesarias para cada elemento del sistema elctrico. Las "zonas de proteccin" se definen como el rea de cobertura de un dispositivo de proteccin, el cual protege uno o ms componentes del sistema elctrico en cualquier situacin anormal o falla que se presente. Las zonas de proteccin se disponen de manera que se traslapen para que ninguna parte del sis-tema quede sin proteccin, la Figura 4.3 muestra el sistema de distribucin con las siguientes zonas de proteccin traslapadas. - Zona de proteccin de lneas de subtransmisin (1) - Zona de proteccin de barras de alta tensin (2) - Zona de proteccin de transformadores de potencia (3) - Zona de proteccin de circuitos de distribucin (4)

La Figura 4.3 muestra los equipos de seccionamiento localizados en las interconexiones entre elementos del sistema elctrico, esta previsin hace posible desconectar solo el elemento fallado, a veces al omitirse un dispositivo de seccionamiento entre dos elementos adyacentes, se tendr una desconexin de ambos cuando se presente una falla en cualquiera de los dos. En una zona cada dispositivo de proteccin realiza una funcin especfica y responde en forma particular a cierto tipo de cambios en las magnitudes elctricas de un circuito. En los sistemas de distribucin y bsicamente en circuitos de media y baja tensin, los equipos comnmente utiliza-dos son dispositivos contra cortocircuito. Estos dispositivos estn clasificados en: proteccin primaria y proteccin de respaldo. La proteccin primaria es la primera lnea de defensa, mientras que la proteccin de respaldo solo acta cuando falla la proteccin primaria, por lo general los sistemas de media y baja tensin son radiales, si bien la tendencia es a manejar sistemas mallados con dispositivos automticos de sec-cionamiento, en la actualidad se manejan anillos abiertos con seccionamiento.

Figura 4.3 Zonas de proteccin de un sistema de distribucin

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Esto ha permitido que cuando ocurre un cortocircuito en el sistema de distribucin la proteccin primaria y de respaldo inician normalmente su funcionamiento, permitiendo en primera instancia que el elemento en cortocircuito sea desconectado mediante la accin de la proteccin primaria sin que la proteccin de respaldo haya tenido tiempo de completar su funcin. En los sistemas de distribucin, las protecciones primaria y de respaldo forman zonas de protec-cin superpuestas, las cuales operan secuencialmente discriminando las fallas a diferentes tiem-pos de operacin o diferente magnitud de corriente, esto permite tener selectividad, sensibilidad y velocidad en la operacin que se requiera para la proteccin del sistema de distribucin. La Figu-ra 4.4 muestra de forma especial las zonas superpuestas, donde su operacin viene definida por el tiempo de operacin (t), esto significa que las zonas de proteccin interiores operan ms rpido que las exteriores. Otro parmetro que interviene en el limite de actuacin de una zona de protec-cin es la sensibilidad a la magnitud de corriente, que es el valor mnimo de falla que detecta el dispositivo de proteccin, si se considera el eje (Y) para el tiempo y el eje (X) para la magnitud de corriente, es posible representar de manera grfica la actuacin de cada proteccin en sus zo-nas primaria y de respaldo.

1.7 Caractersticas funcionales de la proteccin La aplicacin lgica de un sistema de proteccin divide al sistema elctrico en varias zonas, cada una de las cuales requiere en particular de su propio esquema de proteccin. En todos los casos las caractersticas indicadas a continuacin son comunes a cualquier criterio ptimo de diseo para lograr un eficiente sistema de proteccin.

Figura 4.4 Lmites de actuacin de las zonas de proteccin

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Desde luego que es imprctico el satisfacer completamente la totalidad de estos criterios de ma-nera simultnea, siendo necesario un compromiso el evaluar cada una de las caractersticas en base a una comparacin de riesgos.

1.7.1 Confiabilidad La confiabilidad del sistema de proteccin es su habilidad para no tener operaciones incorrectas y es funcin de dos componentes: "dependabilidad" y "seguridad". "Dependabilidad" es la certeza para la operacin correcta de la proteccin en respuesta a un problema del sistema (probabilidad de no tener una falla de operacin cuando se le requiere) es decir que corresponde a la correcta operacin de una proteccin para todas las fallas que ocurran dentro de su zona de proteccin en particular (o sea fallas "internas"). "Seguridad" es la habilidad del sistema para evitar la incorrec-ta operacin de la proteccin con o sin fallas (habilidad para no tener una operacin indeseada, no requerida) o en otras palabras corresponde a la estabilidad que debe mantener una proteccin bajo condiciones de "no falla" o ante la presencia de fallas fuera de su zona de proteccin (o sea fallas "externas"). Desafortunadamente estos dos aspectos de la confiabilidad tienden a oponerse uno al otro; el in-cremento de la seguridad produce una reduccin de la dependabilidad y viceversa. Sin embargo, generalmente los sistemas modernos de proteccin son altamente confiables y proveen un com-promiso prctico entre seguridad y dependabilidad. La supervisin continua ha hecho posible mediante tcnicas numricas mejoras importantes en ambos aspectos de seguridad y dependa-bilidad. Un sistema de proteccin debe comportarse correctamente bajo cualquier condicin tanto del sistema elctrico como del entorno. La dependabilidad puede ser verificada relativamente de ma-nera fcil en el laboratorio o durante la instalacin mediante pruebas de simulacin de condicio-nes de falla. Por otra parte la seguridad es mucho ms difcil de verificar. Una prueba real de la seguridad de un sistema tendra que medir la respuesta del mismo a prcticamente una infinita variedad de problemas y disturbios potenciales que pueden ocurrir tanto en el sistema elctrico como en su entorno. Para el caso de relevadores de proteccin, un sistema seguro es usualmente el resultado de una buena experiencia en el diseo, combinada con un programa extensivo de pruebas mediante un sistema como el EMTP (Electric Magnetic Transient Program), y puede nicamente ser confir-mado dentro del propio sistema elctrico y su entorno.

1.7.2 Rapidez Un dispositivo de proteccin que pudiera anticiparse a una falla sera una utopa incluso si estu-viera disponible, habra siempre la duda sobre su decisin para determinar con certeza si una falla o problema requiere de un "disparo". El desarrollo de dispositivos de proteccin ms rpidos debe siempre ser evaluado en compara-cin al incremento en la probabilidad de un mayor nmero de operaciones no deseadas o inexpli-cables.

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El tiempo es un excelente criterio para descartar entre un problema real y uno falso. Aplicando esta caracterstica en particular a un dispositivo de proteccin, la "alta velocidad" indica que el tiempo usual de operacin no excede los 50 milisegundos (3 ciclos). El trmino "instantneo" indica que ningn retardo es introducido a propsito en la operacin. En la prctica, "alta veloci-dad" e "instantneo" son frecuentemente usados de manera indistinta.

1.7.3 Economa Un dispositivo de proteccin que tiene una zona de influencia perfectamente definida, provee una mejor selectividad pero generalmente su costo es mayor. Los dispositivos de proteccin de alta velocidad ofrecen una mayor continuidad del servicio al reducir los daos provocados por una falla y los riesgos al personal, por tanto tienen un costo inicial mayor. El ms alto desempeo y costo no pueden ser siempre justificados. Consecuentemente, dispositi-vos de proteccin de baja y alta velocidad son usados para proteger un sistema elctrico. Ambos tipos pueden proporcionar una alta confiabilidad. Por ejemplo, un relevador de proteccin mues-tra una consistencia en su operacin del 99.5% y un mejor desempeo como proteccin.

1.7.4 Simplicidad Como cualquier otra disciplina de la ingeniera, la "simplicidad" en un sistema de proteccin es siempre la "marca" de un buen diseo. El sistema de proteccin ms simple, sin embargo no es siempre el ms econmico. Como se indic previamente una mayor economa puede ser posible con un sistema de proteccin complejo que usa un nmero mnimo de elementos. Otros factores de manera similar tales como la simplicidad del diseo, mejoran la simplicidad del sistema, si nicamente hay pocos elementos que pueden representar una mala operacin.

1.7.5 Selectividad Un sistema de proteccin es diseado por zonas, las cuales deben cubrir completamente al siste-ma elctrico sin dejar porciones desprotegidas, Cuando una falla ocurre, se requiere que la proteccin sea capaz de seleccionar y "disparar" ni-camente los dispositivos de desconexin adyacentes a la falla, Esta propiedad de accin selectiva es tambin llamada "discriminacin" y es lograda generalmen-te mediante dos mtodos: 1.7.5.1 Esquema de coordinacin por tiempo Esquemas de proteccin en zonas adyacentes son ajustados para operar en forma secuencial o con diferentes tiempos, para que durante la ocurrencia de una falla, algunos de ellos respondan al dis-

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turbio, nicamente aquellas protecciones adyacentes a la zona de falla completarn su funcin de disparo. Los otros dispositivos no completarn tal funcin y posteriormente se restablecern. 1.7.5.2 Esquema unitario Es posible disear sistemas de proteccin que respondan nicamente a las condiciones de falla ocurridas dentro de una zona claramente definida. Esta "proteccin unitaria" o "proteccin res-tringida" puede ser aplicada a travs de todo el sistema elctrico sin involucrar la coordinacin por tiempo, pudiendo ser relativamente rpido en su operacin, para cualquier ubicacin de falla. Este tipo de esquema es logrado usualmente por medio de una comparacin de aquellas cantida-des elctricas presentes en los lmites de la zona a proteger. Ciertos esquemas de proteccin deri-van su propiedad de "restriccin", de la configuracin del sistema elctrico y pueden tambin ser considerados como "proteccin unitaria". Independientemente del mtodo a usar, debe mantenerse siempre presente que la selectividad no es meramente responsabilidad del diseo de la proteccin. Tambin depende de la correcta seleccin de ajustes y de la coordinacin entre protecciones, para lo cual es necesario tomar en cuenta los rangos posibles en que pueden variar las corrientes de falla, la mxima corriente de carga, las impedancias del sistema y otros factores relacionados.

2.0 DISPOSITIVOS DE PROTECCION POR SOBRECORRIENTE

2.1 Conceptos generales El estudio de protecciones de los sistemas de distribucin ofrece una oportunidad de examinar muchas consideraciones fundamentales de proteccin que aplican, en un grado u otro, para la proteccin de todos los otros tipos de equipos del sistema de potencia. Cada elemento elctrico, por supuesto, tendr los problemas nicos de s mismo, pero los conceptos asociados con la pro-teccin de sobrecorriente son fundamentales al resto del equipo elctrico, y proporciona un exce-lente punto de partida para examinar la implementacin de proteccin al sistema de potencia. Las configuraciones comunes de los sistemas de distribucin, dependiendo de la importancia y condiciones de cada instalacin, son bsicamente de dos tipos: Sistema radial, es decir uno con una sola fuente generadora, donde se puede tener corriente de falla fluyendo en slo una direccin: de la fuente a la falla. Sistema en anillo o una red, en donde la corriente de falla puede fluir en cualquier direccin y los dispositivos de proteccin del sistema deben poder distinguir entre las dos direcciones. En aos recientes el creciente uso de clientes propietarios de generadores (co-generadores), pro-ductores independientes de potencia (IPPs) y conmutacin de alimentador a alimentador ha teni-do como resultado en la proteccin del sistema de distribucin tomar ms de las caractersticas de

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las protecciones del sistema de transmisin. Los co-generadores e IPPs, introducen fuentes de energa dentro del sistema de distribucin que han resultado en corrientes de falla que difieren en magnitud y direccin de las corrientes de falla producidas por las fuentes tiles y sobre las cuales ellos tienen el control. Como resultado, los relevadores en la subestacin de distribucin deben ahora reconocer estas potenciales variaciones en la corriente de cortocircuito en la misma forma como un relevador lo hace en un sistema mallado. En los sistemas de distribucin de energa elctrica existen varias condiciones anormales de ope-racin que pueden suscitarse debido a agentes internos o externos de los mismos. El tipo de disturbio ms comn en este tipo de instalaciones se presenta al fallar o reducirse el aislamiento entre las diferentes partes energizadas con distinto potencial elctrico. Una manera de detectar cuando un sistema o un elemento del mismo se encuentra sujeto a condiciones como la citada, es mediante la sobrecorriente que se genera por la falla de aislamiento entre dos o ms elementos con diferente potencial. Este tipo de anomala puede ser de naturaleza permanente o transitoria. El asunto de dispositivos de proteccin (fusibles, seccionalizadores, restauradores interruptores con relevadores) ser discutido adecuadamente dentro del contexto de los requisitos de protec-cin de un sistema de distribucin, puesto que ellos son los dispositivos de proteccin primarios del sistema. Existen dispositivos y equipos que son capaces de detectar ciertas magnitudes de sobrecorriente y mediante mecanismos fsicos, electromecnicos o actualmente electrnicos, pueden desconectar y aislar del resto del sistema, al elemento daado o a la porcin en donde se encuentre dicho ele-mento. Dependiendo de la importancia y caractersticas de la instalacin, as como de cada uno de sus elementos, existe una diversidad de dispositivos de proteccin, as como de combinaciones entre los mismos para lograr principalmente dos objetivos: - Minimizar los daos al elemento fallado (seguridad del equipo) - Reducir los efectos de la anomala en el resto del sistema (continuidad del servicio) Debido al gran volumen de equipo involucrado en el sistema de distribucin, raramente se acos-tumbra establecer normas de construccin y caracterstica tcnicas del equipo para una situacin especfica o localizacin. En cambio, normas universales precisas y caractersticas tcnicas se desarrollan para facilidad de reemplazo e instalacin. El nivel de voltaje de un sistema de distribucin tambin debe ser considerado al aplicar un sis-tema de proteccin. Normalmente se esperara que los niveles de ms alto voltaje tengan el ms complejo y caro sistema de proteccin. Esto es porque los voltajes ms altos tienen los equipos ms caros asociados con ellos y uno esperara que en este nivel de voltaje sea ms importante a la seguridad del sistema de potencia que en los de ms bajo voltaje. Por consiguiente, los elevados costos de la proteccin normalmente se justifican ms fcilmente. Este no siempre es el caso, sin embargo; ni es el nivel especfico de voltaje, por si solo, una indicacin de su importancia. Algu-nos sistemas tienen muy importantes sistemas de distribucin en niveles bajos de voltaje.

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En un orden ascendente de costo y complejidad, los dispositivos disponibles para proteccin de sistemas de distribucin son: a. Fusibles b. Seccionalizadores, Restauradores, c. Sobrecorriente instantneo e. Inverso, tiempo-demora, sobrecorriente, e. Sobrecorriente direccional

2.2 Fusibles El estudio de los fusibles y su aplicacin es una disciplina extensa y compleja que est ms all del alcance de este documento. Sin embargo, histricamente y tcnicamente, los fusibles forman la base de la proteccin, particularmente para los alimentadores radiales. Sus voltajes operan en-tre el nivel de voltaje de 2.4 y 34.5 kV, aqu el fusible es el ms viejo, ms simple y predominan-te de todos los dispositivos de proteccin. El fusible, un elemento de aleacin metlica, es un detector de nivel y es simultneamente el sen-sor y el dispositivo de interrupcin. Se instala en serie con el equipo que se est protegiendo y opera por fusin de un elemento fusible en respuesta al flujo de corriente elctrica superior a un valor predeterminado.

2.2.1 Principio de operacin Las caractersticas del fusible varan considerablemente de un fabricante a otro y las especifica-ciones particulares deben obtenerse de la literatura apropiada. Por ser los fusibles dispositivos de proteccin contra sobrecorrientes, estos tienen una curva de operacin caracterstica con respecto al tiempo, bsicamente su respuesta en el tiempo es inver-samente proporcional a la magnitud de la corriente que se le aplique. Todos los fabricantes de fusibles proporcionan dos curvas caractersticas de operacin, una de ellas grafica el "tiempo m-nimo de fusin" (MMT, minimum melting time) y la otra el "tiempo mximo de despeje" (MCT, maximum clearing time), ver Figura 4.5 de acuerdo a las normas ANSI C37.41-1981 y su com-plemento ANSI C37.46-1981. La curva del tiempo mnimo de fusin o MMT es la representacin grafica para el tiempo en el cual el fusible comenzar a fundirse por la accin de una corriente determinada. Dicha curva se usa para coordinar con dispositivos de proteccin que se encuentran despus del fusible en el sentido de circulacin de la corriente de falla. Usualmente los fabricantes trazan esta curva, con-siderando una temperatura ambiente de 25 C y operando el fusible sin carga inicial. Tiempo de arqueo (AC, arcing time), es el intervalo durante el cual persiste el arco elctrico. La curva del tiempo total de despeje o MCT es la representacin grfica para el tiempo total en que el fusible interrumpe la circulacin de corriente hacia la falla, es decir, toma en cuenta el tiempo desde el principio de la fusin y el desarrollo del arco elctrico hasta que este se extingue

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totalmente. Esta curva se usa para coordinar con dispositivos de proteccin que se encuentran antes del fusible, en el sentido de circulacin de la corriente hacia la falla. Esta curva al igual que la MMT se grafica a 25 C y sin carga inicial. Los fabricantes ofrecen una amplia gama de curvas caractersticas de operacin las cuales tienen diversas denominaciones tales como "K", "T", "H" "153-1", "119-1", etc. En la Figura 4.5 se muestran a manera de ilustracin las caractersticas MMT y MCT para un fusible de potencia de 10 amperes, velocidad rpida H, marca Chance.

Figura 4.5 Curvas caractersticas de operacin del fusible: "tiempo mnimo de fusin" (MMT) y "tiempo mximo de despeje"

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2.2.2 Tipos de fusibles Por sus caractersticas constructivas y de operacin, en la actualidad existe una amplia diversidad de fusibles, mismos que dependiendo de la aplicacin especifica de que se trate, satisfacen en mayor o menor medida los requerimientos tcnicos establecidos. A continuacin se mencionan algunos de estos tipos, considerando su aplicacin en los sistemas de distribucin:

Figura 4.6 Diferentes tipos de curvas de fusibles: H, CTS, K y T de 10 AMP, marca Chance

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- Fusibles tipo expulsin - Fusibles de triple disparo - Fusible de vaco - Fusibles limitadores de corriente - Fusibles en hexafluoruro de azufre - Fusibles de potencia

2.2.3 Fusibles tipo expulsin Este tipo de fusible es el ms empleado en los sistemas de distribucin. Para este tipo de elemen-tos fusibles las normas ANSI C37.43 definen las siguientes curvas caractersticas de operacin:

Tipo "N"

Fu el primer intento de estandarizacin de las caractersticas de los ele-mentos fusibles, el estndar dictaba que deberan llevar el 100 % de la co-rriente nominal continuamente y deberan fundirse a no menos del 230% de la corriente nominal en 5 minutos. La curva caracterstica de tiempo-corriente es proporcionada por los fabri-cantes de los fusibles y esta caracterstica es la ms rpida con respecto a otros tipos de fusibles, el tiempo mnimo de fusin al 150% del valor de la corriente nominal es de 300 segundos.

Tipos "K" y "T"

Corresponden a los tipos rpidos y lentos respectivamente, estas curvas fueron parcialmente definidas en 1950. Para la caracterstica de operacin de estos fusibles se definieron tres pun-tos correspondientes a los tiempos de 0.1, 10 y 300 segundos, adicional-mente se estandariz que estos fusibles seran capaces de llevar el 150% de su capacidad nominal continuamente para fusibles de estao y del 100% para fusibles de plata. Asimismo se normalizaron las capacidades de corriente ms comunes de fabricacin y que actualmente son de 1, 2, 3, 5, 8, 15, 25, 40, 65, 100, 140 y 200 amperes.

Para los cortacircuitos de distribucin que utilizan fusibles tipo expulsin se tienen normalizados los valores mximos de la corriente de interrupcin, indicados en la Tabla 4.3 siguiente:

Tabla 4.3 Corriente de cortocircuito mxima de interrupcin para cortacircuitos de distribucin

TENSION (kV) CORRIENTE DE INTERRUPCION (AMPERES) 4.8 12,500 7.2 12.500 14.4 10,000 25.0 8,000

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2.2.4 Las dos mayores desventajas de los fusibles

a) La caracterstica de solo un tiro referida anteriormente requiere que un fusible fundido se reemplace antes de que el servicio pueda restaurarse. Esto significa un retraso y la necesi-dad de tener los fusibles de repuesto y el personal de mantenimiento calificado que deben ir y reemplazar los fusibles en el campo. Con lo anterior se provocan altos costos de aten-cin de servicios.

b) En un circuito trifsico, una falla monofsica de fase a tierra causar un fusible fundido,

desenergizando slo una fase, permitiendo a el equipo conectado tal como los motores quedarse conectados a las fases restantes, con el subsecuente calentamiento excesivo y vi-bracin debido al suministro de voltaje desequilibrado.

Para superar estas desventajas, se desarrollaron relevadores de proteccin como elementos lgi-cos que se separan de la funcin de interrupcin del circuito.

2.2.5 Seleccin de fusibles Tomando en consideracin la tensin de diseo los fusibles estn clasificados segn la IEEE en fusibles para baja tensin de 125 a 2,300 volts y fusibles para alta tensin de 2,300 a 161,000 volts, esta ltima categora incluye los fusibles con rango de tensin intermedia, a su vez estos fusibles estn subdivididos en fusibles para distribucin y fusibles de potencia. El primer paso consiste en seleccionar el tipo de fusible requerido segn la aplicacin y necesida-des del elemento del sistema a proteger. Atendiendo a la aplicacin debe considerarse si se requiere un fusible para operar en interiores o exteriores. Si es para exteriores se debe considerar que el cortacircuito fusible completo sea para operar bajo condiciones de intemperie; si se necesita para operar en espacios cerrados entonces se elegir un fusible adecuado, el cual debe reducir considerablemente la emisin de ruido, gases y flama al exterior del portafusible cuando opere por un cortocircuito. Atendiendo las necesidades del equipo a proteger se deber considerar si se necesita un fusible de operacin normal o uno del tipo limitador de corriente en el cortocircuito de los cuales hay dis-ponibles una amplia gama desde los de proteccin de rango parcial hasta los de rango completo, estos a su vez se encuentran disponibles para exteriores, interiores, para aplicacin en sistemas subterrneos o completamente sumergidos. En la eleccin del tipo de fusible se determinara si se necesita un fusible del tipo distribucin o uno de potencia y se har en base a la capacidad interruptiva y al nivel del cortocircuito que se tenga disponible en el lugar donde el fusible vaya a ser instalado. En base a las caractersticas elctricas requeridas para la operacin se deben considerar los si-guientes parmetros:

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1. Tensin nominal. El valor de tensin de operacin normal deber ser igual o me-nor a la tensin de diseo del fusible y el fusible no deber operar a una tensin mayor al voltaje mximo de diseo.

2. Corriente contnua. Es el valor eficaz (rms) de la corriente que puede circular por el fusible en rgimen estacionario y en forma contnua en el que se debern consi-derar: a) La corriente normal de la carga mxima que se puede presentar, la cual deber

circular por el fusible sin que ste sufra ningn dao en sus caractersticas, to-dos los fusibles pueden llevar continuamente la corriente contnua de diseo con una temperatura ambiente que no exceda los 40 C.

b) La corriente transitoria de "inrush" de los transformadores, que es la corriente de magnetizacin del ncleo de los transformadores, es de corta duracin (aproximadamente 0.1 seg.) y dependiendo de la capacidad del transformador tiene un valor de 8 a 12 veces la corriente nominal, esto en la coordinacin de protecciones es conocido como punto "inrush", y este punto no debe rebasar a la curva tiempo-corriente de operacin del fusible.

c) Sobrecargas normales repetitivas como arranque de motores. 3. Capacidad interruptiva. El rango de interrupcin relaciona el valor mximo de la

corriente eficaz (rms) simtrica que circula durante la primera mitad del ciclo des-pus de iniciada la falla, este rango puede expresarse en las formas siguientes. a) La corriente mxima rms simtrica. b) La corriente mxima rms asimtrica. c) El equivalente en kilovolt-amperes trifsicos simtricos.

La corriente mxima rms simtrica es la ms ampliamente utilizada porque es la que proporcio-nan los estudios de cortocircuito, la corriente mxima asimtrica representa la mxima corriente que el fusible puede interrumpir y es 1.6 veces la corriente mxima simtrica para fusibles, los kilovolt-amperes trifsicos o MVA de capacidad interruptiva se usan bsicamente como referen-cia de comparacin con las capacidades interruptivas de interruptores.

2.3 Restauradores El restaurador es un dispositivo electromecnico habilitado para sensibilizar e interrumpir en de-terminado tiempo, sobrecorrientes en un circuito debidas a la eventualidad de una falla, as como efectuar recierres automticamente re-energizando el circuito. Despus de una secuencia de ope-racin de disparo-recierre y en caso de persistir la falla, nuevamente abrir, recerrando por se-gunda ocasin. Esta secuencia de operacin podr llevarse a cabo, dependiendo del ajuste, hasta tres veces antes de la apertura y bloqueo final. La secuencia de operacin realiza dos importantes funciones:

- Prueba la lnea para determinar si la condicin de falla ha desaparecido - Discrimina las fallas temporales de las permanentes

Estudios de sistemas de distribucin area en todo el mundo han establecido que hasta el 95% de todos los corto-circuitos o fallas son de naturaleza temporal, con una duracin de unos cuantos ciclos. Sobre la base de estas estadsticas y observaciones puede reconocerse fcilmente la nece-sidad de disponer de un equipo con la funcin de apertura y recierre automtico".

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2.3.1 Principio de operacin Independientemente que efecten la misma funcin, existen diferentes caractersticas de restaura-dores como son: a) Nmero de fases. En nuestro pas en su mayora el sistema de distribucin es trifsico, por lo que solamente en los casos de distribucin monofsica se utilizarn restauradores monofsicos. b) Medio interruptivo. En aceite o en vaco, se estn utilizando de los dos tipos en la actualidad; an cuando el tipo de cmaras en vaco es ms moderno. c) Tipo de control: Hidrulico Electrnico. Es tambin ms moderno el tipo electrnico y utili-za para su operacin seales de transformadores de corriente (TCs) que son sensadas convenien-temente a travs de relevadores electrnicos; requieren de una fuente de polarizacin para que el restaurador logre su operacin. La deteccin de fallas se realiza generalmente por bobinas colocadas en serie con la lnea, aloja-das en el interior del tanque del restaurador. Estas bobinas serie al sensar una corriente superior a su capacidad de disparo (se ha normalizado que la bobina de operacin efecte su pick-up al 200% de su corriente nominal), actan sobre el mecanismo abriendo el restaurador, para el cierre se utilizan principalmente las siguientes for-

Figura 4.7 Diagrama esquemtico de un restaurador trifsico con medio interruptivo en vaci, aislado en SF6

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mas: por medio de resortes que se cargan por la accin de apertura, bobina de potencial que utili-za la tensin de lnea de lado fuente del equipo y mediante motor para la carga de un mecanismo. En algunos diseos la deteccin de fallas se realiza por medio de transformadores de corriente tipo boquilla, y a travs de circuitos electrnicos se provee la seal de disparo y el trinquete de apertura es accionado por una pequea bobina alimentada por una batera, la cual es continua-mente cargada por la corriente de la lnea. Fuentes de energa externas son requeridas solamente para la operacin remota de algunos acce-sorios especiales. Los restauradores cuentan tambin con un dispositivo para apertura por falla a tierra, con excep-cin de los de pequea capacidad, estos dispositivos de falla a tierra generalmente tienen una sensibilidad de 5 amperes. La ventaja de los restauradores va ms all de la simple deteccin y despeje automtico de fallas y recierre, ya que cuenta con la caracterstica de poder operar con diferentes curvas de tiempo-corriente dentro de una misma secuencia de operacin seleccionables. Lo anterior se ejemplifica para un determinado restaurador, que al detectar una falla dispara en pocos ciclos, este disparo rpido minimiza la probabilidad de cualquier dao en un sistema luego recerrar en 1 2 segundos, lo que significa una mnima interrupcin del servicio. Despus de 1, 2 posiblemente 3 de estas operaciones rpidas, el restaurador automticamente cambia a una operacin de disparo lento. La combinacin de las operaciones rpidas y lentas permite la adecuada coordinacin con otros dispositivos de proteccin. Otra caracterstica del restaurador es la reposicin automtica, si un restaurador es ajustado, para quedar abierto despus de su 4a. operacin de apertura, pero la falla ha sido despejada despus de la 1, 2a 3a, operacin, el restaurador se repondr automticamente a su posicin original y ser capaz de llevar a cabo otras operaciones, en el caso de que la falla sea permanente ser necesario cerrarlo manualmente.

2.3.2 Caractersticas de tiempo-corriente y secuencia de operacin Los restauradores cuentan con curvas caractersticas de tiempo-corriente del tipo definido e in-verso. La curva caracterstica definida, significa que el tiempo de operacin es independiente a la mag-nitud de la corriente de falla, es decir, que para cualquier nivel de falla opera en el tiempo selec-cionado. Para la curva caracterstica inversa, el tiempo de eliminacin vara dependiendo de la magnitud de la corriente de falla, y puede haber distintas demoras, por ejemplo la curva "C" tiene ms de-mora que la curva "B".

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Actualmente existen una gran cantidad de curvas y denominaciones empleadas por los fabrican-tes, a continuacin se muestran en la Figura 4.8 curvas empleadas normalmente en los restaura-dores y corresponden para dicha grfica a:

Curva B3 Curva rpida Curva B2 Curva rpida Curva B1 Curva lenta Curva B Curva muy lenta

Figura 4.8 Curvas restaurador marca General Electric tipo VIR GES-6407

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Con respecto a la secuencia de operacin el restaurador puede ajustarse para abrir 2, 3, o 4 veces antes de la apertura definitiva. Adems el restaurador puede modificarse para proveer todas las operaciones rpidas, todas las operaciones demoradas o cualquier combinacin de operaciones rpidas seguidas por demoradas Sin embargo en todos los casos de operaciones rpidas, si las hay, ocurren primero seguidas de las demoradas, hasta llegar a la cantidad seleccionada de operaciones para la apertura definitiva. Por ejemplo para una secuencia 2A-2B, significa que el restaurador efectuara 2 operaciones rpi-das con su curva "A" y dos operaciones lentas con su curva "B" y luego queda abierto. De la misma manera se pueden seleccionar 1A-3B, 3A-1B, 0A-4B, segn la conveniencia para coordinar con otros dispositivos de proteccin de la red. Las secuencias sealadas corresponden a un ajuste de 4 operaciones, siendo factible tambin, el poder disponer de ajustes con 3, 2 o incluso 1 operaciones; con las correspondientes combinacio-nes de curvas rpidas y/o lentas.

2.3.3 Seleccin y ubicacin de restauradores La primera decisin importante que debe tomarse al aplicar los restauradores, es determinar las ubicaciones fsicas apropiadas. Una de las ubicaciones obvias es la fuente de energa del alimentador. En esta forma, el alimen-tador queda aislado para el caso de una falla permanente, luego dependiendo de las condiciones individuales de cada sistema, otros restauradores adicionales pueden ubicarse en serie en el ali-mentador en puntos seccionadores lgicos, para limitar cualquier retiro de servicio al menor seg-mento prctico del sistema. Idealmente, el origen de cada ramal de longitud suficiente como para representar riesgos de falla, deben considerarse como punto de seccionalizacin, as mismo la facilidad de acceso a ciertas secciones de la lnea, es determinante para la ubicacin real. Luego de tomar las decisiones preliminares de ubicacin fsica, deben considerarse los siguientes factores para la instalacin:

1. La tensin del sistema no debe de exceder la tensin de diseo del restaurador. 2. La capacidad nominal de corriente deber ser igual o mayor que la corriente de carga

mxima. 3. La capacidad interruptiva debe ser igual o mayor que la corriente de falla mxima en

el punto de instalacin. 4. La mnima corriente de corte seleccionada debe permitir que el restaurador cubra toda

la zona de proteccin deseada. 5. Las curvas de tiempo corriente y las secuencias de operacin seleccionadas deben

permitir la coordinacin con otros dispositivos de proteccin en ambos lados del res-taurador.

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2.4 Seccionalizadores Aunque en estricto rigor un seccionalizador no es un dispositivo de proteccin, dadas sus muy especiales caractersticas operativas, lo hacen ser una excelente alternativa para resolver varios problemas que con referencia a la selectividad que un sistema de protecciones, frecuentemente llegan a presentarse durante el desarrollo de un estudio de coordinacin de protecciones. Al care-cer de una caracterstica de operacin tiempo-corriente, como el resto de los dispositivos de pro-teccin, el seccionalizador simplifica un estudio de coordinacin de protecciones, ofreciendo am-plias posibilidades de aplicacin con reducidas limitaciones. El seccionalizador automtico es un dispositivo de caractersticas similares a las del restaurador, es decir, a travs de un control hidrulico y bobinas serie o electrnico y transformadores de co-rriente, secciona bajo condiciones preestablecidas el tramo de lnea fallado. Generalmente los seccionalizadores son usados en serie con restauradores o interruptores de circuito con recierre, para proveer puntos de seccionalizacin automtica. Normalmente un seccionalizador tiene los siguientes componentes:

- Boquillas - Tanque - Mecanismo de operacin - Bobina serie - Mando de accionamiento - Gabinete de control - Contactos - Dielctrico (Aceite o Hexafluoruro de azufre) - Transformadores de corriente

Por la forma de control, los seccionalizadores pueden ser del tipo bobina serie (hidrulicos se-cos) y electrnicos. Los del tipo seco son monofsicos, y pueden tener capacidades en 14.4 kV hasta de 140 amperes. Los seccionalizadores con control hidrulico tienen capacidades en 14.4 kV, en los monofsicos hasta 140 amperes o trifsicos hasta 200 amperes. Los seccionalizadores tipo electrnico estn disponibles para 14.4 kV hasta 34.5 kV y 400 ampe-res nominales. Con esta capacidad, pueden aplicarse para muchos usos que no podan ser realiza-dos en el pasado. Adems, se dispone de accesorios especiales para ampliar su uso, existiendo modelos monofsicos y trifsicos. La corriente que fluye por el mecanismo de operacin es trans-mitida por transformadores de corriente tipo dona.

2.4.1 Principio de operacin El seccionalizador, opera cuando se han completado un nmero de "conteos" preestablecidos. Para que un "conteo" sea realizado, es necesario cumplir con dos condiciones:

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1. Circulacin previa de una sobrecorriente igual o mayor a la corriente mnima de opera-cin o conteo.

2. Que dicha sobrecorriente haya sido interrumpida.

Al cumplirse estas dos condiciones y completar sus conteos de ajuste, el seccionalizador abre sus contactos cuando la lnea est desenergizada. Despus que el seccionalizador queda abierto cum-pliendo la cantidad seleccionada de recuentos debe ser cerrado manualmente. Esto permite prever puntos de seccionamiento automtica a bajo costo, ya que estos dispositivos no cuentan con capacidad interruptiva para las corrientes de falla, ni curvas caractersticas de operacin tiempo-corriente; aunque si disponen de cierta capacidad de maniobra para operar con corrientes de carga, menores a su capacidad nominal. La economa es la principal ventaja que se obtiene del uso de los seccionalizadores automticos. La corriente mnima de operacin actuante, generalmente es del 160% de la capacidad nominal del seccionalizador; en seccionalizadores con control electrnico esta corriente tiene un rango de ajuste. La cantidad de recuentos o "conteos" puede ser ajustada de 1 a 3 generalmente. Durante fallas temporales, donde el nmero de veces que la sobrecorriente es interrumpida, es menor al nmero de conteos del seccionalizador, el mecanismo de conteo se repone lentamente a su posicin origi-nal, "olvidando" de esta manera los recuentos. En seccionalizadores con control hidrulico el tiempo de reposicin es de aproximadamente un minuto y para los de control electrnico este tiempo es seleccionable.

2.4.2 Factores a considerar en la seleccin e instalacin de seccionalizadores En la seleccin e instalacin de los seccionalizadores automticos de lnea, deben tomarse en cuenta los siguientes factores:

- Tensin del sistema. El seccionalizador debe tener una tensin nominal igual o ma-yor a la del sistema.

- Corriente de carga. La corriente nominal del seccionalizador debe ser mayor que la corriente de carga.

- Corriente mnima de operacin. Con el fin de tener la magnitud adecuada de la co-rriente para llevar a cabo el conteo, la corriente mnima de operacin del seccionali-zador debe ser menor o igual al 80% de la corriente mnima de disparo del restaura-dor de respaldo.

- Corriente mxima de falla. Es importante que en los estudios de coordinacin de protecciones se revise que los valores de las corrientes de falla y tiempos de perma-nencia de stas no excedan las capacidades del equipo. En seccionalizadores con bobina serie es necesario revisar los valores de sobrecorriente de corta duracin que pueden soportar stos sin sufrir dao. Algunos fabricantes proporcionan de manera grfica las denominadas curvas de dao para seccionalizadores.

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- Nmero de conteos. El nmero de conteos del seccionalizador debe ser uno menos que el nmero de recierres del restaurador de respaldo. Para seccionalizadores co-nectados en cascada (serie), el nmero de conteos del seccionalizador que se instala "adelante" tendr un conteo menos que el antecesor.

- Facilidad de acceso y maniobras. Los seccionalizadores se instalan en postes, deben ser instalados en lugares que permitan facilidades de acceso y maniobras con prtiga para la operacin de apertura manual y/o reposicin.

2.5 Relevadores de sobrecorriente En general, los relevadores son dispositivos que requieren entradas de bajo nivel (voltajes, co-rrientes o contactos). Ellos derivan sus entradas de los transductores, tales como transformadores de corriente o voltaje y contactos de diferentes equipos. Ellos son solamente dispositivos detecto-res de falla y requieren un dispositivo de interrupcin asociado (un interruptor) para despejar la falla. El segregar la funcin de deteccin de falla de la funcin de interrupcin fue un avance significativo, todo esto dio al diseador de relevadores la posibilidad de disear un sistema de proteccin que equilibr las necesidades del sistema de potencia. Esta separacin del diseo de la proteccin del diseo del sistema de potencia fue apoyada con la estandarizacin de dispositivos de entrada. Como es sabido, existe una gran cantidad de relevadores de proteccin, la mayora de estos cum-plen funciones de proteccin primaria; pero para proteccin de respaldo la utilizacin de releva-dores de sobrecorriente direccionales y no direccionales es generalizado en los sistemas de poten-cia, tanto en alimentadores de distribucin en donde por lo general se utiliza como nica protec-cin, pero en las centrales generadoras y subestaciones de transmisin se utiliza como proteccin de respaldo para transformadores y lneas de transmisin. Esto debido a sus caractersticas de simplicidad, seguridad y confiabilidad. Figura 4.9 Esquema elemental de proteccin por sobrecorriente

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En la Figura 4.9 se representa en forma elemental un esquema de proteccin de sobrecorriente. El relevador recibe en una bobina de operacin B la seal de corriente secundaria Is del trans-formador de corriente TC. Esta corriente es proporcional a la corriente primaria Ip. Cuando la corriente que sensa el relevador Is es mayor al valor de arranque (pick-up) su contacto C puede cerrarse en un tiempo instantneo o retardado, y energizar la bobina de disparo BD del interruptor de potencia 52 para abrir y aislar del sistema la zona afectada. El contacto auxiliar (normalmente abierto) 52a, es utilizado para desenergizar la bobina de disparo una vez que este ha ocurrido. El banco de bateras BB proporciona la energa necesaria para abrir el interruptor. Para la adecuada aplicacin de un esquema de proteccin de sobrecorriente se requiere tomar en cuenta lo siguiente:

- Tipo de relevador - Tipo de curva y tiempo de operacin - Rango de ajuste de corriente de arranque - Necesidades de mantenimiento

Por su caracterstica de funcionamiento se clasifica en:

- Relevadores de sobrecorriente instantnea (50) - Relevadores de sobrecorriente de tiempo inverso (51)

Por su principio de operacin se puede clasificar en:

- Electromecnicos - Estticos (electrnicos analgicos) - Digitales (incorporan microprocesadores)

Cualquiera que sea su principio de operacin debe cumplir con las caractersticas necesarias para ofrecer cierta flexibilidad en su aplicacin, como las siguientes:

- Ajustar el nivel de arranque en forma discreta o continua en un rango amplio - Ajustar el tiempo de operacin para determinado valor de corriente, en un rango amplio

de tiempo - Poder seleccionar el tipo de curva que ms se ajuste a las necesidades de la coordinacin

2.5.1 Relevador de sobrecorriente instantneo Es la forma ms simple del relevador de sobrecorriente, opera instantneamente al sobrepasar la corriente un lmite preestablecido de corriente mediante ajuste. Los ms antiguos son del tipo de atraccin magntica, ya sea de mbolo o de armadura mvil, operan por la atraccin electromagntica producida por la corriente que circula por una bobina con ncleo de hierro, estos ncleos cuentan con una bobina cortocircuitada (bobina de sombra) abarcando parte del ncleo magntico cuyo objeto es desfasar el flujo magntico para evitar vi-braciones que producira la naturaleza senoidal de la corriente.

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Los estticos (electrnicos analgicos) funcionan a base de comparadores (amplificadores opera-cionales), requieren en su entrada de un transductor de corriente/voltaje y un rectificador ya que la electrnica funciona con corriente directa. Requieren adems una fuente externa de alimenta-cin de corriente directa para su circuitera, aunque algunos son autoalimentados a travs de la misma seal de los transformadores de corriente. Para el caso de los 50 a base de microprocesador el proceso es muy diferente, pues el valor de corriente es comparado en forma numrica mediante instrucciones contenidas en un programa de computadora que se ejecuta constantemente para obtener la respuesta en un relevador auxiliar de salida.

2.5.2 Relevador de sobrecorriente de tiempo inverso Es un relevador que funciona con caracterstica de tiempo-corriente, se puede ajustar para contro-lar su corriente mnima de operacin (pick-up), como tambin se puede ajustar para controlar su tiempo de operacin en funcin de la corriente que circula por el mismo (palanca).

Ncleo

Contactos fijosContactos mviles

a. TIPO EMBOLO

Entrada de bobina

Movimiento del mbolo

Camisa magntica

Tornillo de ajusteal centro

Camisa magntica Bisagra

Entrada de bobina

b. TIPO ATRACCION

Contactomvil

Armadura

Contacto fijo

Figura 4.10 Arreglo de relevadores electromecnicos tipos: Embolo y Atraccin

Imn permanente

Contacto fijo paro

Resorte de espiral

Disco Electroimn y seguro de ensamble

Contacto mvil

Contacto fijo

Bobina de atraso

Entrada de bobina principal

Dispositivo de ajuste magntico

Electroimn

Disco

Seguro

Figura 4.11 Arreglo tpico de un relevador electromecnico de disco de induccin, vistas frontal y lateral

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El tiempo de respuesta u operacin ser en relacin inversa a la magnitud de la corriente, es decir, a mayor corriente menor tiempo de operacin, de aqu su nombre de relevador de tiempo inverso. Esta caracterstica es muy deseable para proteccin de los sistemas de potencia, ya que las co-rrientes de mayor magnitud son las que mayores daos pueden ocasionar a los equipos por lo que adquiere mayor relevancia el eliminarlos rpidamente. Los relevadores del tipo electromecnicos-magnticos, operan bajo el principio de induccin electromagntica. Su aplicacin es aceptada por su operacin independiente de una alimentacin de corriente directa. Su principio de operacin es el mismo que para un motor de induccin monofsico, para producir el par de operacin se requiere la interaccin de dos flujos magnticos separados espacialmente y desfasados en tiempo sobre un elemento mvil de material no ferromagntico; pero conductor de la corriente, en forma de disco o de cilindro. Para la mayora de los relevadores de sobrecorriente de induccin el principio se aplica a una estructura con un elemento mvil en forma de disco, los dos flujos desfasados en tiempo y sepa-rados en espacio se obtienen a partir de la corriente que circula por la bobina del relevador, la separacin en espacio se obtiene por el diseo del ncleo magntico y el desfasamiento se obtiene por una bobina cortocircuitada o por un anillo (anillo o bobina de sombra) colocado en una de las ramas del ncleo. Para producir el par de rotacin los flujos atraviesan el disco, que se desplaza en el entrehierro. Para complementar las caractersticas del relevador, ste cuenta con un imn permanente que frena el desplazamiento del disco para aumentar el tiempo de operacin, adems consta de un muelle en forma de espiral que desempea las siguientes funciones:

* Asegura la posicin original del relevador cuando no hay corriente * Proporciona el par a igualarse para el arranque del disco * Regresa el disco a su posicin original despus de una operacin * Sirve de conductor para la conexin del contacto fijo

La funcin derivada del principio de funcionamiento es:

rC KIKF = 2 Donde:

F = Fuerza de atraccin neta que har girar el disco I = Corriente que circula por el relevador

KC = Constante de conversin de la fuerza Kr = Fuerza de restriccin (resorte + freno magntico + friccin)

La caracterstica inversa de tiempo-corriente se obtiene principalmente por la restriccin a travs del resorte helicoidal y al diseo del disco cuyo permetro puede ser circular o en forma de espi-

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ral, de modo que al desplazarse el disco vare el rea del disco expuesta a la accin de los flujos magnticos. Lo anterior permite el diseo de relevadores electromecnicos con diferentes tipos de curvas ca-ractersticas de operacin; pero slo un tipo de curva por cada relevador, por otro lado estos rele-vadores son generalmente monofsicos. El ajuste de arranque (pick up) se obtiene mediante derivaciones (taps) de la bobina de corriente, para variar el nmero de vueltas y mantener el mismo nmero de amperes-vuelta necesarias para mover el disco. Mientras que el tiempo se ajusta mediante el ngulo de desplazamiento del disco, a travs del dial (palanca) de tiempo.

2.5.3 Relevador de sobrecorriente esttico Los primeros diseos de relevadores estticos se desarrollaron en la dcada de los 70's, fueron basados en la alta confiabilidad del transistor planar de silicio, esto marc el inicio para el desa-rrollo de los circuitos integrados, compuertas digitales y circuitos lgicos; le siguieron circuitos digitales y ms tarde memorias y microprocesadores. Con estos componentes se mejoraron las caractersticas de velocidad, sensibilidad, inmunidad a vibraciones, reduccin en sus dimensiones y libre de mantenimiento. Las funciones de estos relevadores son semejantes a las obtenidas con los del tipo electromecni-co, a pesar de que los relevadores estticos carecen de partes mviles, la terminologa relativa al ajuste y operacin es similar a la empleada en los relevadores electromecnicos. Los relevadores de sobrecorriente utilizan los siguientes circuitos bsicos:

- Rectificador, cuya funcin es convertir una entrada de corriente alterna en una seal de voltaje, capaz de ser medida y comparada.

- Detector de nivel, el cual compara una entrada analgica con un nivel prefijado, el cual

responde con una salida analgica cuando este nivel es excedido.

- Temporizadores para demorar a manera constante proporcional la entrada analgica de corriente.

Cada uno de estos circuitos, configuran una parte de los relevadores de sobrecorriente con retardo de tiempo, ilustrado en el diagrama de bloques de la Figura 4.12. La corriente alterna que alimenta el relevador es convertida en voltaje de corriente directa por medio de un transformador de corriente, un puente rectificador y una resistencia de carga conec-tada en paralelo, este voltaje es comparado con un nivel prefijado en el detector de nivel No. 1, el cual genera un pulso al temporizador cuando el nivel es excedido.

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El temporizador responde a un tiempo (en segundos). En el caso de relevadores de tiempo, es proporcional a la magnitud de la corriente de entrada. Para este caso, un circuito de forma es re-querido. Generalmente el temporizador carga un capacitor, de manera que al alcanzar al valor prefijado en el detector de nivel No. 2, se genera un pulso de salida. Los pulsos para la operacin del elemento instantneo son obtenidos por medio del detector de nivel No. 3. El cual opera al pasar por alto al temporizador. Diodos emisores de luz (led's) son utilizados para abanderar la operacin de los relevadores, los cuales estn normalmente apagados. Se iluminan cuando uno de los valores de ajuste (pick-up) es superado. Pulsando el botn "reset" se reponen.

2.5.4 Relevador de sobrecorriente digital (numrico o microprocesado) Con la aplicacin de microprocesadores se han desarrollado relevadores que adems de cumplir con las funciones de proteccin, efectan otras adicionales como son; medicin, registro de even-tos, localizacin de fallas y oscilografa. Lo anterior se realiza mediante el muestreo y manipulacin de los parmetros elctricos, los cua-les son utilizados en forma numrica para resolver cada uno de los algoritmos que calcula el mi-croprocesador para cumplir con las tareas anteriormente descritas. Estos relevadores son trifsicos y en un solo mdulo estn contenidas las unidades de fase y de neutro, reduciendo considerablemente sus dimensiones y el espacio ocupado por ellos en los ta-bleros de control, medicin y proteccin.

Figura 4.12 Relevador de sobrecorriente esttico trifsico instantneo (50) y de tiempo (51)

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Los relevadores microprocesados estn constituidos bsicamente de la siguiente manera:

- Unidades de entrada analgicas: corriente. - Unidades de entrada digitales: contactos del interruptor, etc. - Filtro pasa bajas. - Fuente de alimentacin. - Microprocesador para funciones de proteccin. - Microprocesador para funciones de medicin. - Memoria RAM para registro de eventos. - Memoria EEPROM para grabar ajustes. - Unidades de salida: contactos de disparo y alarma. - Puertos de comunicacin. - Display y teclado. - Leds para sealizacin de banderas y piloto de encendido. - Unidad de autodiagnstico y monitoreo.

En la Figura 4.13 se presenta un relevador digital en forma esquemtica.

Figura 4.13. Relevador digital de sobrecorriente

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Las curvas caractersticas de operacin de los relevadores digitales son seleccionables y respon-den a ecuaciones matemticas, las cuales han sido estandarizadas internacionalmente por la nor-ma ANSI C57.11. En la Figura 4.14 se muestran dichas caractersticas. Las curvas mencionadas estn determinadas por las ecuaciones indicadas en la Tabla 4.4 y son utilizadas por el microprocesador para determinar el tiempo (de operacin) en segundos, bajo una condicin de sobrecorriente dada.

Tabla 4.4 Ecuaciones normalizadas que definen diferentes caractersticas de operacin tiempo-corriente, para relevadores digitales

TIPO DE CURVA ECUACION

Inversa tiempo largo kM

t = 1120

Extremadamente inversa kM

t = 1802

Muy inversa kM

t = 15.13

Normal inversa kM

t = 114.002.0

Inversa tiempo corto kM

t = 105.004.0

k Palanca expresada en valor decimal, M Mltiplo de la corriente mnima de operacin.

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2.5.5 Equipo asociado a los relevadores de sobrecorriente Los relevadores de sobrecorriente al operar, actan sobre un interruptor de potencia o sobre un relevador auxiliar y ste a su vez sobre el interruptor. Por otra parte, la corriente de operacin, del relevador, es recibida a travs de los transformadores de corriente.

Figura 4.14 Tipos de curvas de relevadores digitales estandarizadas

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Es decir, no existe una conexin directa entre ste dispositivo de proteccin y el sistema o equipo elctrico al cual protege, tal y como la tienen el resto de los dispositivos descritos en incisos ante-riores de ste documento; de ah su alta precisin al trabajar con magnitudes de baja tensin. As entonces, el principal equipo asociado a un esquema de relevador(es) de sobrecorriente es:

a) Interruptor de potencia b) Transformadores de corriente

2.5.5.1 Interruptor de potencia Es un dispositivo que cierra o abre circuitos elctricos con o sin carga, o con corriente de falla. Para circuitos o alimentadores de distribucin los interruptores son trifsicos. Se seleccionan en base a la tensin del sistema, carga y corriente de cortocircuito en el punto de instalacin, es de-cir, su capacidad interruptiva debe ser mayor que el valor de falla en el punto de su instalacin. La conexin desconexin se efecta a travs del movimiento relativo de los contactos principa-les del interruptor. El arco elctrico es interrumpido dentro de la cmara de extincin. El medio de extincin puede ser aceite, aire, vaco o gas SF6. El control de interruptor ejerce las funciones de apertura y cierre, es alimentado a travs de una fuente confiable de corriente directa. Utiliza una fuente de corriente alterna o corriente directa para cargar el elemento mecnico que hace la apertura o cierre. Este elemento, puede ser neum-tico, hidrulico o de resorte. Para efectos de control elctrico, la accin de liberar un trinquete o abrir una vlvula, se efecta a travs de electroimanes que se energizan con ese control. Los elec-troimanes reciben el nombre de bobinas de cierre y disparo. 2.5.5.2 Transformadores de corriente Los dispositivos que proporcionan las seales de corriente del sistema de distribucin a los rele-vadores son los transformadores de corriente. Sus funciones bsicas son: - Proveer aislamiento adecuado entre el voltaje pleno del sistema y los instrumentos que normal-mente operan a voltajes bajos que no representen peligro para los equipos ni para el personal. - Reducir en forma proporcional los valores de corriente del sistema, para que sean utilizados por los dispositivos de proteccin, medicin y control. Un transformador de corriente trabaja bajo el mismo principio de funcionamiento de un transfor-mador ideal. Refirindose a la Figura 4.15 pueden establecerse las siguientes consideraciones: - El devanado primario est conectado en serie con la lnea alimentador y muchas veces es sta misma, por lo que la "IP" es la misma de la lnea y la impedancia primaria "ZP" es lo suficiente-mente pequea que puede ser despreciada. - La impedancia de carga "ZC" es la resultante de la corriente de la conexin en serie de las bobi-nas de corriente de los equipos de proteccin y medicin que el TC debe alimentar, su magnitud debe ser pequea para ofrecer, una mnima oposicin al paso de la corriente "IS".

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En esta figura se identifican las siguientes magnitudes: IP = Corriente primaria N = Relacin de las espiras secundarias a primarias ZP = Impedancia arrollamiento primario Ze = Impedancia secundaria de excitacin Ie = Corriente secundaria de excitacin ES = Tensin secundaria de excitacin Zs = Impedancia propia del devanado de baja tensin IS = Corriente secundaria VT = Tensin final secundaria ZC = Impedancia de la carga La corriente primaria se transforma sin error de relacin de ngulo de fase a una corriente IP/N, conocida como: corriente primaria referida al secundario. Parte de sta corriente es consumida por la excitacin del ncleo (Ie), la restante (IS) es la verdadera corriente secundaria. La corriente de excitacin del ncleo es una funcin de la tensin secundaria de excitacin (Ee) y de la impedancia secundaria de (Ze). La grfica que relaciona el voltaje de excitacin con la co-rriente de excitacin es conocida como: curva de saturacin de un TC. La Figura 4.16, representa las curvas de saturacin de un TC tipo boquilla, relacin mltiple. Es-tas curvas son proporcionadas por el fabricante o determinadas mediante pruebas de campo.

Figura 4.15 Circuito equivalente de un transformador de corriente

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El efecto presentado por la disminucin de la impedancia de magnetizacin del ncleo de TC, se observa con un aumento no proporcional en la corriente secundaria de excitacin (localizada arri-ba de la rodilla de la curva de saturacin). Este efecto es conocido como Saturacin. Cuando se presenta, provoca en la mayora de los ca-sos un retraso o la no operacin de las protecciones de sobrecorriente. De lo explicado anteriormente puede analizarse el comportamiento de un TC ante diferentes si-tuaciones, como las descritas a continuacin: - La corriente primaria es demasiado grande. La corriente primaria "IP" crece, la corriente IP/N crecer proporcionalmente a la primera. Supon-gamos que la corriente "IP" es mayor a la especificada en el diseo de TC, las corrientes secunda-rias de excitacin (Ie) y carga (IS), crecern tambin. Al crecer la "Ie", la excitacin del ncleo ser mayor y como ya habamos dicho, el efecto que se presentar ser similar a la disminucin de la impedancia secundaria de magnetizacin (Ze), pro-vocando un crecimiento mayor de la corriente "Ie" que de la "IS". El aumento de la "Ie", presenta el efecto de la histresis del ncleo magntico, traer consigo un calentamiento y por lo mismo un dao si la exposicin es prolongada.

Figura 4.16 Curvas de saturacin de un TC tipo boquilla

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- La impedancia de carga es demasiado grande. Cuando la impedancia de carga (ZC) tiene una magnitud mayor a la que el TC puede alimentar, la tensin final secundaria (VT) ser mayor para el valor de "IP" que el transformador normalmente puede soportar sin problemas. Al ser mayor "VT", la corriente de magnetizacin crecer, logrando un efecto similar al anterior. - El circuito secundario es abierto. Cuando el circuito secundario es abierto, toda la corriente primaria servir para magnetizar el ncleo, provocando que el voltaje secundario "VT" crezca hasta un valor dado por:

=NZIV eP

Que normalmente es lo suficiente grande para provocar la ruptura del aislamiento entre espiras, explosin del TC daos al personal. 2.5.5.2.1 Clasificacin ANSI de la precisin Los TCs son fabricados de acuerdo a las normas ANSI, la cual establece la capacidad del TC mediante una nomenclatura conformada por dos smbolos: una letra "C" "T" y un nmero que indica la capacidad del voltaje secundario en los bornes. Un TC de clase C-400, puede suministrar una corriente mxima de 20 veces la corriente secunda-ria nominal (520 = 100 amperes), soportando un voltaje de hasta 400 volts en sus bornes, sin exceder el error de 10% permitido para estos casos. Las clases nominales de un TC estn dadas en la siguiente Tabla 4.5, donde se relacionan tanto con la potencia que puede suministrar el TC, como la mxima carga que es posible alimentar sin demrito de sus caractersticas de funcionamiento ptimo.

Tabla 4.5 Clase nominales en transformadores de corriente para aplicacin de protecciones

CLASE POTENCIA CARGA ADMISIBLE ("B" o BURDEN)

C-10 C-20 C-50 C-100 C-200 C-400 C-800

2.5 VA 5.0 VA

12.5 VA 25.0 VA 50.0 VA

100.0 VA 200.0 VA

0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 4.0 8.0

Para los TCs de relacin mltiple, la clase est dada para la relacin mxima y sta sigue una proporcin directa al tomar una relacin menor.

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2.5.5.2.2 Ejemplo 1 Considerando un TC de las siguientes caractersticas:

Relacin mltiple 100 - 600/5 A Clase C-400 Conectado en RTC 300/5

Para una corriente de 20 veces la I nominal soportar: VAVA 505/6005/300100 ==

La carga mxima admisible ser: == 25/6005/3004B

quedando para esa relacin, una capacidad de un "TC" clase C-200 2.5.5.2.3 Ejemplo 2 Se tiene un TC de:

Relacin de transformacin 200/5 A Clase C-400

La RTC de 200/5 determina la corriente de falla mxima que puede soportar el TC (20 veces la In). "C" indica devanado uniformemente distribuido sobre el ncleo, evitando dispersin de flujo, con un error mximo permitido de 10%. "400" es la tensin mxima permitida en los bornes secundarios sin exceder el mximo error permitido de 10%. "200/5" La corriente mxima de falla en el punto donde ser colocado el TC no deber exceder a 20 veces la I primaria del TC:

(20)(200)= 4000 amperes prim. (20)(5)= 100 amperes sec.

A 100 amperes secundarios, el TC puede soportar un voltaje mximo de 400 volts en sus bornes, sin exceder el error permitido de 10%:

IS= 100 amperes VS= 400 volts

La impedancia mxima que se puede conectar a este TC es:

Zmax.= VS / IS Zmax.= 400 / 100= 4

Es importante observar que la sumatoria de la impedancia propia del TC: conductores, relevado-res, medidores, etc., no rebase la impedancia mxima del Burden.

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2.5.5.2.4 Ejemplo 3 Se tiene un TC tipo boquilla de relacin mltiple, cuyas curvas de saturacin se muestran en la Figura 4.16, que alimentar a un relevador de fase de las siguientes caractersticas. Tap 10 con 1.0 ohms de Zrelevador Tap 6 con 1.6 ohms de Zrelevador Tap 5 con 2.0 ohms de Zrelevador Tap 4 con 2.5 ohms de Zrelevador Tap 3 con 3.2 ohms de Zrelevador. La impedancia de conductores incluye la propia del TC y es: 2 ohms. El TC debe operar con una corriente primaria de 120 amperes. Seleccionando una RTC de 100/5 (N = 20) nos proporcionara una I de 6.0 amperes. Seleccionando tap 6 en el relevador N = 20

VS = IS (Zcables + Zrelevadores) VS = 6.0 (1.6 + 2.0) = 21.6 volts

Con esta tensin se ingresa a la curva de saturacin para determinar la corriente de excitacin para la RTC de 100/5. Encontramos que es de 2.1 amperes aproximadamente, localizada arriba de la rodilla de la curva de saturacin. La corriente primaria ser:

IP= N IS + N Ie IP= 20(6.0) + 20(2.1) IP= 162 amperes

Este valor de la corriente es demasiado alto comparado a los 100 amperes esperados, represen-tando un error del:

%35100120

120162 ==Error Seleccionando una RTC de 200/5 (N = 40), la Isecundaria es de 3.0 amperes, y disminuyendo el tap del relevador a 3:

VS = 3.0 (3.2 + 2.0) = 15.6 volts Entrando de nuevo en la curva de saturacin para determinar Ie, para una relacin de 200/5, se tiene que corresponde a un valor de 0.18 amperes. Calculando nuevamente la Iprimaria, para determinar l porciento de error:

IP = 40(3.0) + 40(0.18) = 127.2 amperes

%6100120

1202.127 ==Error Se podra reducir aun ms el error, pero habra que disponer de otro relevador con posibilidad de ajustes de tap menor de 3.

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Otra manera de evaluar el TC es mediante la grfica de caractersticas de precisin estndar de la norma ANSI de transformadores de corriente clase C, ilustrada en la Figura 4.17, donde se mues-tran los valores de corriente mxima que puede suministrar el TC, segn su clase, sin excederse al 10% de error permitido por la norma. Estas curvas estn directamente relacionadas con la capacidad de carga del TC en ohms. Es im-portante aclarar que un TC de relacin mltiple con una clase determinada la grfica es vlida solo para la relacin mxima, para relaciones inferiores, la capacidad se reduce en forma propor-cional a la RTC. Adems de las curvas de excitacin, el fabricante debe suministrar la siguiente informacin:

- Sobrecorriente de corta duracin para la capacidad trmica y mecnica para un segundo - Resistencia de los devanados secundarios

La capacidad mecnica del TC para corrientes de corta duracin se refiere a la capacidad de so-portar el valor rms de una corriente con la onda de corriente totalmente desplazada. La capacidad trmica se refiere a la mxima corriente que puede soportar el TC durante un se-gundo, antes de alcanzar una temperatura de 250o C.

Figura 4.17 Grfica para determinacin de la capacidad de transformadores de corriente Clase "C"

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2.5.5.2.5 Tipos de transformadores de corriente Los TCs pueden estar integrados al equipo primario o separados de l. Los TCs integrados son del tipo boquilla (dona o bushing), se encuentran alojados en la parte inferior de las boquillas, en interruptores y transformadores de potencia. Los que se instalan por separado al equipo primario son del tipo "devanado" "pedestal" su costo es superior debido a que su tipo de aislamiento es similar al equipo primario. Pueden tener uno o varios devanados secundarios, embobinados a su vez sobre uno o varios circuitos magnticos. Si el TC tiene varios circuitos magnticos, se com-porta como si fueran varios transformadores, diferentes. El circuito de mayor precisin es utiliza-do para medicin y los dems para proteccin. Los devanados pueden ser de relacin fija, doble relacin o relacin mltiple. La relacin de transformacin de corriente se expresa con un nmero quebrado. El numerador es el valor de la corriente primaria (en amperes), el denominador es la corriente secundaria (5 amperes nominales). En la Figura 4.18 se representa un diagrama del devanado desarrollado para un secundario con relacin mltiple, se indican los taps o derivaciones con su nmero de espiras entre terminales para un TC de 1200/5 amperes. Es importante observar las marcas de polaridad instantnea de las corrientes. En correspondencia a lo anterior, en la Tabla 4.6 se indican las diferentes relaciones de transfor-macin disponibles para dicho TC.

Tabla 4.6 Relaciones de transformacin disponibles para el TC de relacin mltiple de la Figura 4.18

TERMINALES RELACION DE VUELTAS RTC X2 - X3 X1 - X2 X1 - X3 X4 - X5 X3 - X4 X2 - X4 X1 - X4 X3 - X5 X2 - X5 X1 - X5

20 40 60 80

100 120 160 180 200 240

100/5 A. 200/5 A. 300/5 A. 400/5 A. 500/5 A. 600/5 A. 800/5 A. 900/5 A. 1000/5 A. 1200/5 A.

Figura 4.18 Transformador de corriente de relacin mltiple

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2.5.5.2.6 Conexiones de los transformadores de corriente Los tipos de conexiones de TCs ms usados en los esquemas de proteccin por sobrecorriente son:

Conexin monofsica Conexin estrella

La conexin monofsica se emplea para conducir las corrientes de secuencia cero (3I0) que circu-lan a travs del neutro de un transformador. Esta corriente es sensada por un relevador de sobre-corriente a tierra como se muestra en la Figura 4.19. La conexin estrella es usada en sistemas trifsicos. La corriente secundaria de cada fase es con-ducida y conectada en serie con los circuitos de relevadores de fase, que al igual que los devana-dos de los secundarios estn conectados en estrella. Segn el tipo de proteccin empleada, se puede contar o no con un relevador en el neutro (ver Figura 4.20). Debe cuidarse que la conexin de los puntos de polaridad sea la correcta para las 3 fases. La inversin de una o dos fases desba-lancear la estrella, provocando una corriente residual en el neutro. La inversin de las polarida-des de las 3 fases, invertir nicamente la direccin de las corrientes secundarias. Esta accin no afecta a los esquemas de proteccin por sobrecorriente no direccionales.

Figura 4.19 Conexin monofsica de un transformador de corriente

Figura 4.20 Conexin trifsica de transformadores de corriente