Cuaderno Técnico nº 161 - unizar.esautomata.cps.unizar.es/bibliotecaschneider/AT-MT/CT161.pdf · 2001. 3. 8. · Cuaderno Técnico Schneider n° 161 / p. 2 La Biblioteca Técnica

Cuaderno Técnico nº 161

Conmutación automática defuentes en las redes AT y BT

Georges THOMASSET

Cuaderno Técnico Schneider n° 161 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

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La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 161 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico n o 161

Georges THOMASSET

Diplomado Ingeniero IEG en 1971.

Después realizó diversos estudios sobre el diseñode redes industriales complejas en la DirecciónTécnica de la Sociedad Merlin Gerin.

Después de haber dirigido la oficina de estudios«Distribución Pública MT» y «Energía Hidráulica»pasó a ser responsable, en 1984, del serviciotécnico de la unidad industrial del Departamento deFabricación de Conjuntos.

Trad.: J.M. Giró

Original francés: junio 1992

Versión española: marzo 2001

Conmutación automática defuentes en las redes AT y BT


Conmutación automática de fuentes enredes AT y BT

El corte de la alimentación eléctrica, aunque sea pasajero, es hoy en día unhandicap importante, tanto para las industrias cuyo proceso de fabricación nosoporta paradas, como para los edificios de gran altura, cuyos circuitos deseguridad deberían estar siempre operativos.

Así, la conmutación de fuentes normales de alimentación sobre fuentes desustitución o de emergencia, ha pasado a ser una operación cada vez másutilizada en la distribución eléctrica, tanto pública como privada.

En este Cuaderno Técnico se estudian las dificultades de instalación de losdispositivos de conmutación, ... y las soluciones técnicas a aplicar. Acontinuación se presentan también diferentes formas de conmutación conejemplos prácticos. Por último, en una tabla se hace una síntesis de losprincipales campos de aplicación.

1 Introducción p. 5

2 Diversos tipos de conmutación 2.1 Problemas que presenta la conmutación y precauciones p. 6

2.2 Presencia de un defecto en la red aguas abajo p. 6

2.3 Características de la fuente de sustitución p. 6

2.4 Elaboración de las órdenes de conmutación p. 7

2.5 Corte de tensión durante una conmutación no síncrona p. 9

2.6 Enclavamiento mecánico entre los aparatos de maniobra p. 9de BT y entre los de AT

2.7 Resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra AT p. 9

3 Conmutación síncrona 3.1 Ejemplo nº 1 p. 10

3.2 Ejemplo nº 2 p. 11

3.3 Ejemplo nº 3 p. 11

4 Conmutación con corte 4.1 En baja tensión p. 13

4.2 Ejemplo (BT) p. 13

4.3 En alta tensión p. 15

4.4 Ejemplo nº 1 (AT) p. 15

4.5 Ejemplo nº 2 (AT) p. 16

5 Conmutación pseudosíncrona 5.1 Principio p. 18

5.2 Campo de utilización p. 18

5.3 Dificultades p. 19

5.4 Conmutación ultrarrápida con control de defasaje p. 19

6 Cuadro resumen p. 22

7 Conclusión p. 23

Anexo: Descripción resumida de un comparador de fases p. 24


Los dispositivos de conmutación de fuentes seutilizan para asegurar la continuidad de laalimentación de ciertos receptores prioritarios,por motivos de seguridad de personas o paramantener un ciclo de producción. Elmecanismo de conmutación actúa o por unfallo en la alimentación principal, normalmenteen servicio, o por una orden voluntaria.

Estos dispositivos se usan especialmente:

n para la alimentación:

o de ordenadores,

o de edificios de gran altura,

o de alumbrado y sistemas de emergencia yseguridad: valizas de aeropuertos, locales depública concurrencia, etc.,

o sistemas auxiliares esenciales de centralestérmicas,

o cadenas completas de fabricación cuyoproceso no soporta ninguna parada temporalde ningún elemento de la cadena (siderurgia,petroquímica, etc.),

n en la distribución pública de MT para:

o conmutación de líneas y de transformadoresAT en centros de transformación,

o alimentación, en doble derivación, decentros de transformaciónAT-A (U ≤ 50 kV) / BT (U ≤ 1 kV).

1 Introducción

Los equipos que se instalan para realizar laaparamenta de conmutación son muy variados,por ejemplo, en los circuitos de potencia, losaparatos de maniobra pueden ser contactoreselectromagnéticos o estáticos, interruptoresautomáticos o interruptores, y esto tanto enbaja como en alta tensión.

El mando de estos aparatos puede ser:

n manual: es la disposición más elemental yeconómica. Requiere la intervención deloperario de la explotación; la duración de pasode la fuente que falla a la fuente de sustitucióno de emergencia puede ser muy larga (eloperario tiene que desplazarse),

n automático: es el dispositivo más rápido y...el más utilizado.

Sin embargo, el esquema de principio puede,en la mayor parte de los casos, reducirse a laalimentación normal, una alimentación desustitución o de seguridad y un juego debarras que es el punto común de las dosalimentaciones a partir del cual se alimentanlos receptores.


2 Diversos tipos de conmutación

Normalmente se utilizan tres sistemas deconmutación de fuentes:

n síncrona:duración de transferencia: nula(ejemplo: acoplamiento de generadores),

n con corte:duración de transferencia: 0,2 a 30 s,(ejemplo: función de conmutaciónnormal/emergencia en BT),

2.1 Problemas que presenta la conmutación y precauciones

Para realizar la instalación de un sistema deconmutación de fuentes que respondaadecuadamente a las exigencias decontinuidad de servicio exigidas por el usuario,ya desde la fase de diseño, hay que estudiardetenidamente ciertos aspectos para tomarprecauciones especiales:

n la presencia de un defecto de red aguasabajo,

n las características de la fuente desustitución,

2.2 Presencia de un defecto en la red aguas abajo

Cuando un defecto situado aguas abajo delpunto de conmutación ha provocado laapertura de la alimentación normal, serecomienda no conmutar las fuentes de

n la elaboración de las órdenes deconmutación,

n la ausencia de tensión durante el tiempo deconmutación (caso de una conmutación nosíncrona),

n el enclavamiento mecánico de los aparatosde maniobra entre sí, tanto en BT como en AT,

n la resistencia dieléctrica de los aparatos demaniobra (en AT).

n pseudo-síncrona:duración de transferencia: 100 a 300 ms,(ejemplo: reaceleración en marcha de motoresasíncronos).

Toda conmutación debe estar precedida por elcumplimiento satisfactorio de un cierto númerode condiciones, algunas de las cuales obligana tomar precauciones especiales.

alimentación. En este caso hay que bloquearel circuito de mando del dispositivo deconmutación, mediante una orden provenientedel sistema de protección de la red aguasabajo.

2.3 Características de la fuente de sustitución

La potencia nominal, la potencia decortocircuito, las impedancias de lasconexiones y el régimen de neutro de la fuentede sustitución pueden ser muy diferentes delos de la fuente principal. Así por ejemplo, lafuente principal puede ser un transformador de800 kVA, 380 V, 50 Hz, Icc = 20 kA y encambio, la fuente de sustitución puede ser ungrupo electrógeno de 200 kVA, Icc = 1 kA enrégimen transitorio.

Por tanto, las protecciones contra los defectosentre fases y fase-tierra de la red deemergencia pueden, en ciertas condiciones,no funcionar adecuadamente cuando la red dedistribución se alimenta desde la fuente desustitución (o de emergencia).

Luego, para encontrar un sistema deprotección compatible con las característicaseléctricas, los sistemas de explotación y demantenimiento de las dos fuentes de


alimentación, hay que hacer un estudio muycuidadoso de las protecciones. Hay quedestacar especialmente dos casos: la«reaceleración al vuelo» de varios motores yla alimentación de varios transformadores-reductores cargados.

n red de distribución con varios motores

Si la potencia de la fuente de sustitución esbaja, después de la conmutación de la fuenteprincipal sobre esta fuente de sustitución, esnecesario limitar la corriente de conexión y deservicio permanente.

Para esto hay que proceder a:

o una desconexión de parte de las cargas,

o un rearranque escalonado de los motorespara volver a conectarlos, si ha habido unainterrupción.

Sin estas precauciones y teniendo en cuentala menor potencia de la fuente de sustitución,las caídas de tensión serían prohibitivas y los

2.4 Elaboración de las órdenes de conmutación

Son los controles de tensión los que originanlas órdenes de conmutación:

n corte de tensión de la alimentación normal(o principal) para mandar, si la fuente desustitución es un grupo electrógeno, elarranque de su motor,

n presencia de tensión estabilizada en lasalida de la fuente de sustitución, para ordenarel paso de la carga a la fuente de sustitución,

n presencia de tensión en la alimentaciónnormal, para volver a la situación normal.

Las órdenes de conmutaciónn Para el paso de la fuente principal a lafuente de sustitución

Un corte o una bajada de tensión de laalimentación principal pueden ser:

o permanente, a continuación de:

– un disparo de un aparato de protecciónaguas arriba,

– una sobrecarga importante de la red queprovoca una gran bajada de tensión,

– etc.,

o pero también transitoria, debida a:

– la actuación de los automatismos dereenganche, rápido o lento, de las líneasaéreas del distribuidor,

– un cortocircuito entre fases, eliminadonormalmente por los dispositivos de protección,

– etc.

Por tanto, la actuación del detector de falta detensión de la fuente principal deberá sergeneralmente retardada para evitar ordenar laconmutación de fuentes cuando hay un corte ouna bajada de tensión transitorias.

Además, si la fuente de sustitución estáconstituida por un grupo electrógeno, cuyaorden de arranque se da precisamente cuandono está la tensión principal, hay que esperar aque se estabilice la tensión de grupo antes dedar la orden de conmutación (algunossegundos).

n Para el paso de la fuente de sustitución a lafuente principal

El retorno de la tensión de la fuente principalpuede estar precedido por intentos de reenvíode tensión a la línea principal, necesarios para:

o localizar un defecto,

o realizar un bucle de fuentes después de unincidente,

o efectuar ensayos después de unareparación o modificación de la línea principal.

La acción del detector de presencia de retornode red de la fuente principal tendrá que teneruna temporización muy larga (algunasdecenas de segundo a varios minutos).

Nota:a) los dispositivos que permiten pasar de lafuente principal a la fuente de sustitución, sinretorno automático a la fuente principal

motores no podrían acelerar (par motor menorque el par mecánico resistente),

n conexión de varios transformadores-reductores en la red de distribución aguasabajo

Cuando la conmutación se realiza en AT, hayque tener en cuenta las corrientes de conexiónde los transformadores AT/BT que suelen serdel orden de 10 a 15 veces su corrientenominal. En efecto, si la fuente de sustituciónes un grupo electrógeno BT, su alternador nopuede proporcionar corrientes tan elevadas atensión nominal y se comportan como sialimentara un cortocircuito. Por tanto, latensión que proporciona durante los primerosinstantes de la conmutación es muy baja, loque no facilita en modo alguno el rearranque delos motores. Por esto es preferible desconectartodos los transformadores-reductores lado ATantes de la conmutación para después irlosconectando escalonadamente.


después de la reaparición de la tensión deésta, suelen llamarse conmutadores,

b) los dispositivos con retorno automático a lafuente principal suelen llamarse inversoresnormal-socorro.

Dificultades en la detección de la falta detensión en la alimentación normaln mantenimiento de la tensión en la red dedistribución al producirse un corte en la red dealimentación

Al cortarse la alimentación, la tensión en lared de distribución puede ser mantenida por:

o la tensión residual que «devuelven» losmotores asíncronos, en proceso deralentización durante un tiempo aproximadode 0,3 a 1 s,

o la tensión inducida en los bornes de losmotores síncronos en proceso de ralentización,

o la tensión debida a la descarga de loscondensadores que pueda haber conectados aesta red.

Al mantenerse la tensión por los motivoscitados, no es posible efectuar unaconmutación rápida de fuentes, puesto que losdispositivos convencionales simples, como losrelés voltimétricos de tensión mínima, nopueden detectar rápida y eficazmente laausencia de la tensión principal.

n cortes de tensión transitorios en los que nodeben actuar los dispositivos de conmutación

Estos cortes los origina la actuación de losautomatismos de red, como son losreenganches rápidos o lentos, el cambio oconmutación de transformadores o de líneasAT en los centros de transformación AT, etc.

En las redes BT sucede lo mismo, debido acaídas de tensión excesivas provocadas porsobreintensidades transitorias (defecto entrefases o fase-tierra eliminado por lasprotecciones selectivas de la red, arranque degrandes motores, etc.).

n elección y cableado de los detectores, con:

o un solo relé monofásico

Generalmente, cuando hay un único relémonofásico de detección, se conecta entredos fases de la entrada normal. En este caso,puede producirse un fallo de la otra fase sinque lo «vea» el relé; por tanto, no habríaconmutación y la alimentación de losreceptores sería defectuosa.

Para que este sistema sea satisfactorio, no hade ser posible que la alimentación trifásicapueda funcionar inadecuadamente con sólodos de las fases, de ahí el empleo deprotecciones, como interruptores automáticostripolares o fusibles con contacto auxiliar defusión que den una orden de corte omnipolar.

Si no, para paliar este inconveniente, esnecesario instalar o dos relés conectadosentre dos fases diferentes o tres relésconectados en triángulo.

o tres relés monofásicos

Sin embargo, este último montaje (tres relésconectados en triángulo) puede ser peligrososi los relés tienen su umbral ajustado entre el20 y el 30% de la tensión nominal. En efecto,cuando se produce el corte de una sola fase,los dos relés que tienen un borne conectado aesta fase quedan en serie y son alimentadospor las otras dos fases sanas. La tensión enbornes de estos dos relés pasa a ser la mitadde su tensión nominal, tensión superior alvalor de ajuste citado (0,2 Un). Por tanto no seda ninguna orden de conmutación. Por estemotivo es preferible utilizar tres relésconectados en estrella o tres relés conectadosen triángulo pero ajustados al 60% de Un, o,mejor todavía, un relé trifásico de tensión concampo giratorio.

o un único relé voltimétrico trifásico

Si la red de distribución tiene conectadosmotores trifásicos asíncronos, este tipo derelés no permite la detección del fallo de unafase de alimentación en el juego de barras,puesto que estos motores proporcionan,precisamente al juego de barras, la tensión dela fase cortada. Por tanto, es necesarioconectar un relé amperimétrico, trifásico decampo giratorio, en la entrada normal.

n montaje de los detectores

Los relés instantáneos electromagnéticos sonnormalmente sensibles a los choquesmecánicos que hacen rebotar sus contactos...originando así la aparición de órdenes deconmutación erróneas. Estos casos sepresentan normalmente en el montaje enpuerta, cuya instalación tiene que ser portanto muy cuidadosa para evitar todas lasvibraciones que podrían ser susceptibles deperturbar al equipo.


2.5 Corte de tensión durante una conmutación no síncrona

Este corte de tensión, aunque transitorio, esgeneralmente suficiente para hacer caer todoslos contactores cuyas bobinas se alimentendel circuito de potencia.

El dispositivo de conmutación automáticapuede perder mucha de su eficacia puesto quelos receptores mandados por estoscontactores, ahora caidos, ya no estánalimentados. Por el contrario, se permite unrearranque manual escalonado de los motoresmediante los pulsadores de «marcha».

Para evitar tener que hacer esta reconexiónmanual, es preferible alimentar las bobinas delos contadores o con una fuente auxiliarsegura (batería o grupo giratorio con volantede inercia) o con un relé temporizado a lareconexión, o incluso, a partir del circuito depotencia, utilizando un rectificador y uncondensador conectados en paralelo con la

bobina. En este caso, la energía necesariapara mantener el contactor en posicióncerrado durante el breve corte de tensión, lasuministra el condensador. Pero, para que elvalor de la capacidad del condensador«reserva» no tenga que ser demasiadoelevado, la duración del corte de tensión debede ser muy breve (algunos centenares demilisegundos) y el consumo de la bobina,muy bajo.

Con todo, téngase presente que la instalaciónde estas soluciones obliga a que la fuente desustitución pueda soportar el conjunto de losreceptores y, en especial, todos los motoresen situación de «rearranque al vuelo».

Nota : Puesto que al abrir el circuito de mandode una bobina, aparecen importantes tensionesinducidas en sus bornes, el rectificador y elcondensador deben soportar estas tensiones.

2.6 Enclavamiento mecánico entre los aparatos de maniobra de BT y entre los de AT

En los dispositivos de conmutación síncrona,los dos aparatos de maniobra (fuente principaly de sustitución) pueden estar simultáneamentecerrados. Pero, en los otros sistemas deconmutación, debe haber, en todas lasinstalaciones, un enclavamiento mecánico de

2.7 Resistencia dieléctrica de los aparatos de maniobra AT

La resistencia dieléctrica de los aparatos demaniobra de la fuente de reemplazo empleadosen los sistemas de conmutación síncrona ypseudosíncrona deben estar especialmenteadaptados. En efecto, durante el tiempo de

los aparatos entre sí y de sus circuitoseléctricos para impedir la alimentaciónsimultánea de los circuitos de mando de losdos aparatos. Se recomienda esta precauciónen todas las instalaciones y normalmente loexigen las compañías suministradoras.

espera de las condiciones de acoplamiento, lospolos de estos aparatos pueden estarsometidos, entre la entrada y la salida, a dosveces la tensión simple de la red (tensión delas dos fases a conectar en oposición de fase).


3 Conmutación síncrona

La fuente principal y la fuente de sustitucióntienen que tener la posibilidad desincronizarse, es decir:

n sus vectores de tensión han de estar enfase,

n su frecuencia y amplitud han de seridénticas.

3.1 Ejemplo nº 1

Explotación de centros de transformaciónde interconexión AT/MT con doble juego debarras ( figura 1 )Los dos juegos de barras están alimentadospor las líneas de transporte AT de la red deinterconexión, el interruptor automático deacoplamiento está abierto y los dos juegos debarras están sincronizados. Las derivacionesde línea y los transformadores estánconectados a uno u otro de los juegos debarras A o B . Para cambiar la alimentación deuna derivación (cambio de juego de barras),suponiendo que estuviera alimentado en labarra A , es suficiente con:

n cerrar el interruptor automático deacoplamiento (1) sin verificar las condicionesde acoplamiento porque los dos juegos debarras están sincronizados,

Esta conmutación ofrece grandes posibilidadesen cuanto a que el cambio de fuente puederealizarse antes del corte de tensión en lafuente en servicio, con lo que los receptores nosufren ningún corte de alimentación.

Los siguientes ejemplos explican este tipo deconmutación.

n cerrar el 2º seccionador de derivación (2b)de la salida en cuestión,

n abrir el primer seccionador dederivación (2a),

n abrir el interruptor automático deacoplamiento (1).

La derivación queda entonces alimentada porel otro juego de barras B.

Nota: durante todo el tiempo de conmutación,todas las derivaciones quedan en paralelosobre los dos juegos de barras; la potencia decortocircuito es entonces elevada y lascaracterísticas eléctricas del material debende ser suficientes para soportar este modo deutilización si la probabilidad de defectodurante estas maniobras es elevada.

entradas

acoplamiento

juego de barras A

2b

juego de barras B

1

salidas

2a

Fig. 1: Esquema de un centro de transformación de interconexión AT/MT con doble juego de barras.


3.2 Ejemplo nº 2

Sustitución de un generador en servicio porun elemento de reserva en una centralautónoma de producción de energíaeléctrica formada por grupos electrógenosEstos grupos generadores necesitan unmantenimiento periódico frecuente; la centralfunciona con n -1 grupos, siendo el elementoenésimo el de reserva o el que está enmantenimiento.

La sustitución de un grupo en servicio por ungrupo en reserva se realiza de la manerasiguiente: el alternador del grupo en reservaes arrastrado hasta la velocidad desincronismo y hasta la tensión nominal; laorden de conexión del interruptor automáticose da después de verificar las condiciones deacoplamiento (tensiones y frecuencias igualesy defasaje nulo).

Con el objeto de conseguir la igualdad detodas estas magnitudes en el momento deacoplamiento y mantenerlas después de éste,el alternador y el motor térmico de arrastreestán dotados de un regulador de tensión y develocidad.

Las condiciones de acoplamiento se consiguen:

n o por la intervención de un operario que da,siguiendo las indicaciones del voltímetro y delfrecuencímetro diferenciales y delsincronoscopio, las órdenes de aumento o

disminución al regulador de velocidad y lasórdenes de aumento o disminución de laexcitación al regulador de tensión para poderdar la orden de conexión al interruptorautomático cuando las condiciones deacoplamiento son satisfactorias.

En este caso es posible utilizar un autómatallamado «acoplador». Este autómata seencarga de verificar las condiciones deacoplamiento y da la orden de conexión,efectuándose siempre de forma manual lasoperaciones de regulación.

n o con un «acoplador síncrono» que es unautómata especializado unido a un reguladorde tensión. Este autómata da las órdenes deaumento o disminución de velocidad al motorde arrastre y ordena el cierre del interruptorautomático de acoplamiento, siendo elregulador de tensión el que da las órdenes deaumento o disminución de la excitación alalternador. De esta forma el acoplamiento serealiza automáticamente.

Después del acoplamiento, el grupo que hayque desconectar se va descargando (actuaciónsobre el regulador de velocidad) y sedesconecta de la red abriendo su interruptorautomático de acoplamiento. De esta manera lasustitución se realiza sin perturbar la red dedistribución y sin pérdida de carga.

3.3 Ejemplo nº 3

Conmutación automática sin corte de unSAI (sistema de alimentaciónininterrumpida), sobre una red públicautilizando un contactor estático ( figura 2 )

Esta situación se da con mucha frecuencia:alimentación de ordenadores, centros deproceso de datos, medida, regulación, etc.

El contactor estático es un dispositivo quepermite utilizar la red como emergencia delondulador. Hay que destacar el hecho de queno hay ningún corte de tensión, ni transitorio,si se corta (accidental o intencionadamente) latensión del ondulador.

Para conseguir este resultado, el onduladormantiene su tensión permanentemente enfase con la de la red. Sin embargo, laconmutación no es posible si el valor de latensión de red no es correcto.

La secuencia de funcionamiento es la siguiente:

n el ondulador, regulado en tensión,manteniéndose en fase y en frecuenciasincronizado con la red, alimenta la utilización.El conmutador estático está abierto; la red nosuministra energía,

n la conmutación ondulador-red se produce:

o por parada del ondulador:

– o por defecto interno,

– o por orden voluntaria,

o por detección de sobrecarga ladoutilización.

La orden de conmutación cierra siempreinstantáneamente el contactor estático. En elúltimo caso (sobrecarga) las dos fuentesfuncionan un corto instante en paralelo y acontinuación el ondulador se desconecta.


n la conmutación red-ondulador se ordenavoluntariamente

Después de poner en marcha el ondulador, elproceso automático es el siguiente:

o sincronización del ondulador sobre la red,

o puesta en paralelo de la red y el ondulador,

o apertura del contactor estático,

o el ondulador queda entoncespermanentemente sincronizado con la red yalimenta él solo a la carga.

Importancia del conmutador estáticoEl conmutador estático de corriente alternapermite conseguir:

utilización

fuenteprincipalSAI

rectificador

fuente dereemplazode la red

conmutadorestático

ondulador

n una tensión permanente sobre la utilización,comparable en fiabilidad a la solución obtenidacon dos onduladores en paralelo actuando eluno como emergencia del otro, pero a unprecio menor,

n en caso de sobrecarga en el lado de lautilización, un dispositivo ultrarrápido ordena alcontactor estático conectar la red en paralelocon el ondulador. Esta disposición permiteaprovechar la potencia de cortocircuito de lared para eliminar defectos aguas abajo sintomar precauciones especiales, a parte de lasnormales de la selectividad.

Fig. 2: Esquema de un circuito alimentado por dos fuentes con conmutación automática sin corte utilizando uncontactor estático.


4 Conmutación con corte

Este tipo de conmutación de fuentes es el másutilizado tanto en baja como en alta tensión.Su campo de utilización se extiende tanto a laindustria como al sector terciario. El tiempo de

4.1 En baja tensión

Puesto que los responsables de la utilizaciónde las redes BT suelen ser pocoespecializados, los dispositivos de conmutacióndeberían ser simples.

Aparamenta

El tipo de aparamenta de maniobra a instalardepende de la frecuencia de las conmutaciones:

n para un número importante deconmutaciones: el contactor,

n para un número bajo de conmutaciones(una por semana): el interruptor automático.

Circuito de mandoLos circuitos de mando de los aparatos demaniobra se alimentan o mediante una fuenteauxiliar segura (una batería por ejemplo) odirectamente del circuito de potencia delaparato a controlar.

AlimentaciónGeneralmente, la fuente principal dealimentación es la red de distribución públicaBT o una red BT privada aislada por un

transformador AT/BT, alimentado lado AT porla red de distribución pública.

La fuente de sustitución puede ser:

n una segunda red BT independiente de laprimera,

n un grupo electrógeno con tiempo cero paratomar rápidamente el servicio,

n un grupo electrógeno con arranque manualo automático cuando hay corte de tensión enla fuente principal,

n un SAI,

n etc.

Estas diferentes fuentes de sustitución, en lamayor parte de los casos de potencia muchomenor que la red principal, tienen unaautonomía limitada. Cuando la red segura sealimenta mediante una fuente de sustitución,es normalmente adecuado y hasta obligatoriodesconectar una parte de la carga y noreacelerar más que los motoresextraordinariamente prioritarios (capítulo 2º).

conmutación varía normalmente entre 0,5 y30 s, lo que no excluye valores inferiores paraciertos casos especiales.

4.2 Ejemplo (BT)

EsquemaEl esquema más frecuente de conmutación defuentes BT con desconexión automática deservicios no preferentes, es el de la figura 3 .

Principio de funcionamientoPuesto que las dos fuentes no puedenponerse en paralelo, los interruptoresautomáticos Jn y Jr están enclavadosmecánicamente: su mando eléctrico estáhecho de tal manera que una ordensimultánea a los dos interruptores automáticosprovoca solamente el funcionamiento de uno.

Un conmutador de tres posiciones indica elmodo de funcionamiento:

posición 1 = parado,

posición 2 = automático,

posición 3 = conexión voluntaria de la fuentede sustitución y desconexión del interruptor deacoplamiento.

n posición 1 = parada

Todos los circuitos de mando estándesconectados y todos los interruptoresabiertos.


n posición 2 = automático

o la tensión de red normal está presente; elinterruptor automático correspondiente y el deacoplamiento están cerrados,

o para un corte de tensión superior a 0,4 s(hasta 10 s) el autómata de conmutación dalas órdenes de desconexión al interruptornormal y de acoplamiento y una orden dearranque al grupo electrógeno,

o después de recibir la información de«tensión grupo correcta» el autómata da unaorden de conexión al interruptor automático dela fuente de sustitución,

o al retorno de la tensión normal, después deuna temporización de 10 a 180 s:

– apertura del interruptor automático Jr,

– cierre del interruptor automático Jn,

– orden de parada al grupo,

– cierre del interruptor automático Jc.

n posición 3 = conexión voluntaria

Permite desconectar voluntariamente elinterruptor de acoplamiento mientras la red deseguridad está conectada a la fuente dereemplazo.

Caso especial: reaceleración de motores BTEs aconsejable prever un autómata dereaceleración de motores, cuando la red deseguridad alimenta a un número importante demotores que deben reacelerar lo más

rápidamente posible después de un corte en laalimentación principal. Esta necesidad esfrecuente; es especialmente importante en lasindustrias de proceso y para la seguridad depersonas y de los trabajos. En efecto, aldesaparecer la fuente principal y si no hayningún tipo de artificio especial todos loscontactores abren. Al volver la alimentación noqueda alimentado ningún receptor controladopor los contactores.

Por el contrario, si el control y la protección delos motores se hace con interruptoresautomáticos, éstos rearrancansimultáneamente al volver la tensión. Si lasbobinas de los contactores de las derivacionesmotor están alimentadas por una red decorriente alterna, la utilización de reléstemporizados a la desconexión (capítulo 1)permite también mantener su orden de marchadurante el corte de tensión.

En general no hay que temer la reaparición dela alimentación, puesto que las alimentacionesresiduales de los motores asíncronos están enproceso de ralentización; porque, en esteinstante (t = + 500 ms) la amplitud de estasúltimas es inferior al 20% de Un, valor toleradopor los fabricantes para una realimentación enoposición de fase. Pero la protección general(de sobreintensidad) de la red de distribuciónpuede tener que soportar la suma de lascorrientes de rearranque de los motores.

Fig. 3.

G

fuente de reemplazo

grupoelectrógeno

Un

utilizaciónno preferente

fuente normal

utilización preferente(red segura)

Ur

Jr

Jc

Jn


4.3 En alta tensión

Las conmutaciones de fuentes realizadas enalta tensión ponen en juego potenciasimportantes; deben de ofrecer garantíastodavía superiores en cuanto a la seguridadde funcionamiento del conjunto del dispositivo.

La conmutación en alta tensión se utiliza sobretodo cuando los receptores preferentes sonnumerosos o cuando no están alimentados por

4.4 Ejemplo nº 1 (AT)

Dispositivo «normal emergencia»

Esto requiere un aparato de maniobra paracada entrada y un autómata de tipo RCV420(figura 4 ).

PrincipioEl autómata controla las operaciones. Tienepor objetivo detectar la ausencia de tensión enla fuente normal y ordenar automáticamente laconmutación de la utilización a una fuente desustitución cuando se cumplen doscondiciones:

n presencia de tenisón en la fuente deemergencia,

y

n ausencia de defectos en la instalación.

Funcionamiento

El autómata tiene dos entradas de altaimpedancia: una «normal» conectada a undivisor capacitativo conectado entre una fasede la red normal y tierra y la otra «emergencia»conectada de la misma manera a una fase dela red de sustitución o de emergencia.

Cuando hay un corte de la tensión de entrada«normal» actúa un temporizador T1 (0,1 s a1 s) que al acabar el ciclo da un impulso deapertura al aparato de maniobra de la rednormal y un impulso de cierre al aparato demaniobra de la fuente de reemplazo(emergencia).

Si no hay tensión en la fuente de sustitución(emergencia) el temporizador T1 quedabloqueado por la entrada «emergencia» y laconmutación queda bloqueada.

cuadros de alimentación de niveles inferioresdel sistema de distribución.

Las órdenes de mando de los aparatos demaniobra las generan autómatas electrónicosestándard.

Los dos ejemplos que siguen aclaran este tipode conmutación.

Fig. 4: Autómata «normal-emergencia» RCV420 y su secuencia de funcionamiento (Merlin Gerin).

t1 t2

1

0

1

1

0 N R N

entradaN

entradaR

redalimentadapor …

0

t1 y t2 ajustes


Hay que indicar que el autómata RCV420tiene una segunda entrada «emergencia» quese presenta como un bucle en el que elcontacto de un relé de tensión exterior puedecolocarse para impedir la conmutacióncuando está abierto. Si la tensión vuelve a lared «normal» un segundo temporizador T2(10 a 100 s) entra en acción y al final de sutemporización, da una orden transitoria de

apertura al aparato de maniobra de la red«emergencia» y una orden de cierre al aparatode red «normal».

Por lo que se refiere a la detección de undefecto que afecte a la instalación, debequedar asegurada por un aparato exterior quetenga un contacto de cierre que actuando enla entrada «defecto» del autómata impida laconmutación.

4.5 Ejemplo nº 2 (AT)

Dispositivo «doble derivación»Este dispositivo se utiliza mucho en Franciapara la alimentación en doble derivación decentros de transformación MT/BT conectadosdirectamente a la red de distribución públicaMT. Tienen:

n un aparato de maniobra para la entrada(interruptor AT),

n un autómata electrónico del tipo RVH(figura 5 ).

Fig. 5: Autómata «doble derivación» RVH215 y su secuencia de funcionamiento (Merlin Gerin).

t t

1

0

1

0

1

0 A B A

entrada«A»

entrada «B»

redalimentadapor …

t = 5 ó 25 s

PrincipioLa alimentación normal de un montaje endoble derivación (figura 6 ) puede quedarasegurada por una u otra de las entradas aescoger; el sistema es perfectamentereversible.

La detección de presencia o falta de tenisónes idéntica que en el dispositivo «normal-emergencia».

Fig. 6: Esquema de una distribución en doble derivación.

P B A P

= conmutador de fuentes

transformador AT/BT

ATred Ared B

P

transformador AT/BT


La detección de los defectos fase-tierra o fase-fase en la red de utilización queda aseguradapor el autómata que recibe la información delos toroides (3 toros por entrada).

En funcionamiento normal, toda la conmutaciónqueda sujeta a ciertas condiciones eléctricas yse efectúa a continuación de maniobrasrealizadas tanto manual como automáticamente.

El detalle de estas maniobras se da acontinuación.

n conmutación manual

El usuario provoca manualmente la aperturadel interruptor A y después el cierre delinterruptor B, después de haber verificado quese cumplen las siguientes condiciones:

o ausencia de tensión en la derivación A,

o presencia de tensión en la derivación B,

o ausencia de defecto en el centro detransformación (red aguas abajo).

Las condiciones para volver a la alimentaciónnormal son:

o verificación de la ausencia de defecto en elcentro de transformación,

o apertura manual del interruptor B ,

o cierre manual del interruptor A,

n conmutación automática

El autómata provoca el cierre del interruptor Adespués de cerrar el interruptor B si secumplen las siguientes condiciones:

o ausencia de tensión en la derivación A,

o presencia de tensión en la derivación B,

o ausencia de defecto en el centro detransformación,

o mantenimiento de estas informacionesdurante 5 a 30 s consecutivamente. Estaduración de 30 s se utiliza sobre todo paraque puedan llegar al final de su ciclo losreenganchadores automáticos usados en lasredes de líneas aéreas.

El retorno de la tensión en la derivación A noprovoca la conmutación de la derivación Bhacia A , pero esta conmutación puede seractuada manualmente por el usuario.


5 Conmutación pseudosíncrona

5.1 Principio

La duración de estas conmutaciones defuentes suele ser del orden de 150 ms.

El esquema más frecuentementerecomendado es el de la figura 7 .

En condiciones normales de explotación, lasdos semibarras se alimentan respectivamentede las dos entradas, estando abierto elinterruptor de acoplamiento.

El fallo de una de las dos fuentes provoca laentrada del dispositivo de conmutación rápida

Fig. 7.

M M

fuente 1 fuente 2

J1 J2

M: motores asíncronos

juego de barras AT Jc

que, con ciertas condiciones, da dos órdenesdiferentes:

n una de cierre al interruptor automático deacoplamiento,

n una de apertura al interruptor automático dela fuente que ha fallado.

El semi-juego de barras correspondiente a lafuente con defecto queda por tanto alimentado.

5.2 Campo de utilización

El caso típico es el de instalacionesconectadas a dos fuentes AT que tienen ungran número de motores asíncronos. Estosúltimos, teniendo en cuenta las exigencias delas máquinas arrastradas por estos motores,no deben quedar afectados ni por una paradamomentánea ni por una ralentizaciónimportante durante el período de transferenciade la fuente principal hacia la fuente dereemplazo.

Esta apliación se ve especialmente en lasindustrias químicas y petroleras ygeneralizando, en las industrias cuyosprocesos de fabricación no toleran ningunaparada temporal de ningún elemento de sucadena; también se aplica en lasalimentaciones auxiliares de las centralestérmicas.


5.3 Dificultades

La dificultad de este tipo de conmutaciónreside principalmente en el hecho de que unmotor asíncrono trifásico, proporciona en susbornes, durante el proceso de ralentizacióncuando se ha cortado la red, una tensióntrifásica alterna de frecuencia y amplituddecrecientes inducida por el flujo remanentedel motor.

La amplitud máxima de esta tensión residualdisminuye de una manera exponencial enfunción del tiempo con una constante detiempo que depende de:

n la potencia del motor,

n el régimen de conexiones estatóricas:

o estator abierto, caso de un corte de laalimentación trifásica,

o estator en cortocircuito, caso de un defectotrifásico en la alimentación.

Por el contrario, la tensión nominal dealimentación del motor no modifica muchomás el valor de la constante de tiempo.

La tabla de la figura 8 da valoresaproximativos de las constantes de tiempo deextinción del flujo residual para motoresasíncronos de caja media.

La realimentación rápida de motores enproceso de ralentización, sin precauciones

especiales, puede llevar a un acoplamiento enoposición de fases entre la fuente dereemplazo y la red de utilización cuya tensiónha sido mantenida por los motores asíncronos.

Solamente los motores AT aislados con resinaepoxy pueden permitir una realimentación enoposición de fase. Sin embargo, hay queindicar que en este caso la corriente de picoes igual aproximadamente a 3 veces lacorriente de arranque del motor, o sea, de 15a 20 In. Esto supone que el conjunto de la redde distribución se encuentra en situaciónperturbada altamente peligrosa:

n caída de tensión y esfuerzoselectrodinámicos muy importantes y repetitivos,

n disparo intempestivo de los interruptoresautomáticos de protección contra cortocircuitosfrancos,

n etc.

Por todos estos motivos, no es posiblerealimentar de una manera ultrarrápida losmotores sin comparación del defasaje de latensión de la fuente con la tensión residual. Porel contrario, con un dispositivo que compare eldefasaje de las tensiones es posible conmutarde una manera ultrarrápida las fuentes. En elanexo puede verse una descripción resumidade un comparador de fases.

potencia del motor 10 kW 100 kW 200 kW 400 kW 800 kW

constante de tiempo, 0,02 s 0,03 s 0,04 s 0,06 s 0,1 sestator en cortocircuito

constante de tiempo, 0,3 s 0,4 s 0,6 s 1,1 s 1,5 sestator abierto

Fig. 8: Constantes de tiempo de extinción del flujo residual para motores asíncronos con caja mediana.

5.4 Conmutación ultrarrápida con control de defasaje

Las maniobras posibles de una conmutaciónultrarrápida están indicadas en los tresdiagramas de la figura 9 .

Secuencia A:La orden de conmutación activa la apertura deun interruptor automático separador J1 ó J2; alfinal de la apertura, el comparador de faseactúa y suministra, si las condiciones deconmutación son favorables, una orden deenganche al interruptor automático deacoplamiento Jc.

Secuencia B:

La orden de conmutación ordena la aperturade un interruptor automático separador J1 óJ2 y la conexión del comparador de fases.Cuando las condiciones de conmutación sonfavorables, el comparador de fases da unaorden de conexión al interruptor automático deacoplamiento Jc.

Secuencia C:La orden de conmutación activa la actuacióndel comparador de fases. Cuando las


condiciones de conmutación son favorables, elcomparador da simultáneamente una orden deconexión al interruptor de acoplamiento Jc yuna orden de desconexión a uno de losinterruptores separadores J1 ó J2.

Notas:a) La secuencia C se prefiere normalmenteporque consigue una duración de conmutaciónmás corta.

b) La elaboración de la orden de conmutaciónpuede implicar ciertas dificultades como son:

n detección de la ausencia real de tensión dealimentación normal en presencia de tensiónresidual,

n rapidez de actuación,

n etc. ...

Condiciones que debe satisfacer una redpara realizar un acoplamiento rápidoLa primera condición que debe de satisfacerseen el momento de realizarse efectivamente elacoplamiento se expresa por la inecuación:

s m n rU U U U− < + (figura 10 ).

En general los motores pueden soportar unacoplamiento en oposición de fase, despuésde la deconexión de la fuente primera, cuandola medida de la tensión residual en sus bornesno sobrepasa el valor Ur igual a 25% de Un.

Esta primera condición, aunque necesaria, noes suficiente para que funcione rápidamente elrearranque «al vuelo» de los motores quetodavía están girando. En efecto, aunque elacoplamiento se haga controladamente ycumpla la inecuación citada, todos los motorestienen una velocidad inferior a su velocidadnominal y absorben por tanto una intensidadsuperior a su corriente nominal.

Para favorecer el éxito del rearranque «alvuelo» de los motores durante unaconmutación rápida, es necesario que:

n la velocidad que tengan los motores, en elinstante de volver a alimentarlos, sea lo máselevada posible. Esto depende de:

o la duración del corte de alimentación,

o la inercia de las masas giratorias,

o el par resistente durante el rearranque,

Fig. 9.

orden de conmutación

comparador de fase

interruptor automático de acoplamiento Jc

interruptor automático separador J1 ó J2

espera

sincronismoduración de

la conexiónduración

del corte

duración de conexión

secuencia A


comparador de fase



fin de la

conmutación

duración del reenganche

duración

del corte

duración delreenganche

secuencia B


comparador de fase



duración de conexión

duración

del corteduración del

reenganche

secuencia C

espera

sincronismo

espera de

sincronismo

fin de la

conmutación

fin de la

conmutación


n el valor de la caída de tensión de la red dealimentación ha de ser pequeña. Estodepende de:

o la impedancia de las canalizacioneseléctricas,

o la intensidad absorbida por los motores,

o el número de motores a rearrancar,

n el valor del par motor durante el tiempo derearranque ha de ser superior (cuanto másmejor) al par resistente.

El par motor es función de:

o el valor nominal del par motor con tensiónnominal,

o la situación del par en el margen develocidad comprendido entre la velocidad enla que se efectúa el arranque y la velocidadnominal,

o la tensión aplicada a los bornes del motor.

Hay que tener presente que si el deslizamientode los motores es importante en el momentode la realimentación, durante todo el tiempode rearranque la intensidad absorbida por losmotores es constante y próxima, en unaprimera aproximación, a la intensidad dearranque (la curva de intensidad absorbida porun motor asíncrono en función de su velocidadde rotación es relativamente plana).

Esquema del sistema de conmutación rápidaen la figura 11 .

Fig. 10: Magnitudes eléctricas e inecuación quecondicionan el funcionamiento de un acoplamientorápido.

sU = tensión de la fuente que realimenta a losmotores (fuente de sustitución).

mU =tensión en bornes de los motoresdespués de la desconexión de suprimera fuente (tensión residual).

nU = tensión nominal del motor.

rU = tensión residual admisible del motor.

− < +s m n rU U U U

IUnI + IU

rIUs - U

mUs

Um

M M

fuente 1 fuente 2

disparo

Us 1

Du Du

UM UM

disparo

J1 J2comparador

de fases

Jc

juego de barras HT

disparo

Du: detector de falta de tensión

M: motores asíncronos

Us 2

Fig. 11.


6 Cuadro resumen

tipo de conmutaciónsíncrona con corte pseudosíncrona

BT ATejemplos de - conmutación del En la industria y - alimentación - «rearranque alaplicación juego de barras, sector servicios: con 2 entradas vuelo» de motores

- sustitución de - alimentación de AT conmutables asíncronosun generador circuitos auxiliares - alimentaciónpor otro, de un centro de con una fuente- conmutación transformación, normal y unade un SAI sobre - alimentación de de sustituciónla red almacenes de

grandes superficies,- etc.

duración de la nula 0,5 a 10 s 1, a 30 s 0,06 a 0,3 sconmutación

dispositivos - acoplador - inversor de fuente - celda con - interruptorutilizados - sincroacoplador automático con conmutador automático AT

- conjunto SAI con interruptor (equipado con rápido concontactor automático VM6 DDM y comparador deestático (Compact y NSM). fase(EPS2000 y 5000). Masterpact).

observaciones la conmutación Dificultades dedebe hacerse producción decon ausencia total la orden dede tensión en la conmutaciónfuente principal (presencia de

tensión residual).


7 Conclusión

Después de haber descrito las condiciones defuncionamiento que se han de cumplir y lasexigencias técnicas a tener en cuenta, seimpone poner en práctica la conclusiónsiguiente.

Antes de proceder a la elección de undispositivo de conmutación, es aconsejable yhasta necesario conocer:

n la calidad de las fuentes, la principal y la dereemplazo:

o amplitud, duración y periodicidad de lasbajadas de tensión,

o duración y periodicidad de los cortes detensión, (presencia o no de un automatismo derearranque en servicio aguas arriba, tal comoun interruptor de reenganche rápido y lento),

o potencia disponible,

n las exigencias de los receptores en cuantoa la continuidad del suministro:

o no toleran ningún corte de la alimentación,

o toleran pequeños cortes de tensión (de0,3 s, 1 s, 30 s, etc.).


Anexo: descripción resumida de un comparador de fases

La medida del desfase entre dos fuentes seefectúa por la diferencia de dos vectores detensión Us y Um, o sea:

s mU U U− = ,

siendo

s s 1U U .sen t= ω (tensión de la fuente de

sustitución),

m m 2U U .sen t= ω (tensión residual).

Nota: el escribir s m aU U U= = permite

simplificar los cálculos.

Utilizando la fórmula trigonométrica

sen sen 2 . cos . sen2 2+ −− = α β α βα β

es posible escribir:

1 2 1 2s m aU U 2.U .cos t .sen t U

2 2

ω + ω ω − ω− = = .

La envolvente de la tensión de pulsación

1 2

2ω + ω

no está afectada por la pulsación

1 2

2

ω − ω que expresa la evolución en el

tiempo del defasaje entre s mU y U (figura 12 ).

La tensión s mU U− se rectifica y después se

filtra. Los valores instantáneos de la tensiónde la curva envolvente o de la tensión depulsación así obtenida permiten determinar eldesfase entre las dos tensiones senoidales acomparar: el valor instantáneo mínimocorresponde a un desfase nulo.

Cuando la tensión de la curva envolventedesciende por debajo del umbral de ajuste, elcomparador proporciona una orden deconmutación hasta que la tensión de la curvaenvolvente vuelve a rebasar el valor umbral.

Si la diferencia entre las dos frecuencias esimportante, el comparador impide laconmutación porque, en este caso, no sonadecuadas las condiciones de conmutaciónultrarrápida. Por el contrario, si la tensiónresidual es inferior a un valor predeterminado(0,20 a 0,60 Un, por ejemplo) la conmutaciónpuede hacerse a pesar de que exista unadiferencia importante de frecuencias.

Fig. 12.

curva envolventeU

t

U

t

U

t

señal rectificada y filtrada

umbral

orden de conmutación permitida

2 Ø

Documents

Cuaderno Técnico nº 161 - unizar.esautomata.cps.unizar.es/bibliotecaschneider/AT-MT/CT161.pdf · 2001. 3. 8. · Cuaderno Técnico Schneider n° 161 / p. 2 La Biblioteca Técnica