PROTECCIÓN DE INSTALACIONES FRENTE A SOBREINTENSIDADES Y SOBRETENSIONES

CONCEPTOS BÁSICOS

CIRCUITO

INTENSIDAD DE EMPLEO Ie

INTENSIDAD DE DISEÑO IB

INTENSIDAD ADMISIBLE IZ

SOBREINTENSIDAD

CORRIENTE DE SOBRECARGA

CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

SOBRETENSIÓN

NORMATIVA

MIE BT 020

UNE 20 460, parte 4-43 y 4-473

PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS

Tipos de sobrecarga

• SOBRECARGAS PREVISIBLES (MOMENTÁNEAS) ? Diseño adecuado de la instalación

ej: Arranque de un motor, fases de un proceso

• SOBRECARGAS NO PREVISIBLES ? ACTUACIÓN PROTECCIONES

ej: Averías (cojinetes motor, máq. accionada, exceso de consumo

Efectos de las sobrecargas

Si I > IZ ? Tc > Tadm ? propiedades dieléctricas y mecánicas se degradan, hasta producir defectos de aislamiento

Valores de las temperaturas máximas admisibles en cables aislados, en servicio continuo y en cortocircuito, según UNE 20-460. Los valores entre paréntesis son los indicados en el Reglamento de Baja Tensión.

Aislamiento TAD (ºC) TMAX (ºC) (Servicio cont.) (Cortocircuito)

Policloruro de vinilo 70 (75) 160 Polietileno Reticulado Butil Etilenopropileno 90 (90) 220

FUNDAMENTO DE LA PROTECCIÓN FRENTE A SOBRECARGAS

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN ADMITIDOS

•Interruptor magnetotérmico.

• Interruptor automático con disparador directo de sobreintensidad de tiempo inverso o con disparador indirecto asociado a un relé térmico.

• Fusibles gG (o gL).

• Contactor combinado con relé térmico.

Protección efectiva ? tac < tcal

Teq: Temperatura equilibrio

Tad: Temperatura admisible

tcal: tiempo calentamiento

tac: tiempo actuación

In: Int. nominal disp. de protección.

I2: Int. convencional de funcionamiento (disparo garantizado)

COORDINACIÓN ENTRE INTERRUPTORES Y DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN

???

???

????

Z2

ZnB

I 1.45 II I I

protegidoconductor

SOBRECARGAS PELIGROSAS

IZ ? I ? I2

? INTERESA

IB ? In ? I2

IZ ? I2

Ejemplo 1: Protección de un cable trifásico, de tensión nominal Un=750 V, instalado al aire, y una intensidad de diseño IB= 16A.

Sección del cable, (tabla 1, MIE BT 017):

IB =16 A, K=1 ? S = 2,5 mm2 ? IZ = 17 A

• Protección mediante fusible:

debe cumplir IB ? In ? I2 ? 16 ? In ? 17

fusible normalizado que cumple esta condición es de 16 Apor tratarse de un fusible tipo gG:

I2 =1,6 × In =26,6A

Por tanto no se cumple la condición [3], ya que:

1,45 × IZ= 24,65 A < I2 ?

Si se quiere efectuar la protección mediante fusible, habría que dimensionar la línea con una sección mayor, por ejemplo S= 4 mm2. de este modo:

IZ= 23 A

1,45 × IZ= 33,45 A > I2 ? se cumple la condición [3].

• Protección mediante interruptor automático, S=2,5mm2

magnetotérmico de In=16 A, se cumple [2].

si es normalizado se cumple [3], ya que I2=1,45 × In.

El fusible de 16 A no protege eficazmente la línea frente a sobrecargas, según la norma UNE 20 460.

PROTECCIÓN DEL CONDUCTOR NEUTRO

SITUACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A SOBRECARGAS

• En el origen de los circuitos

• En los puntos en que disminuye IZ (int. adm.)

• Excepción: puede omitirse si la parte por debajo del punto de disminución de IZ está efectivamente protegida por un dispositivo situado antes

IB ? In ? I´z ? Iz

I2 ? 1.45 I´z ? 1.45 Iz

I´B ? In ? I´´z ? Iz

I2 ? 1.45 I´´z ? 1.45 Iz

No requiere protección Dispositivo de protección adecuado a la I admisible que dispara el dispositivo de corte de los cond. de fase

Línea protegida en toda su longitud

?

OMISIÓN DE LA PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS POR RAZONES DE SEGURIDAD (UNE 20-460 / 4-473)

En circuitos en los que el corte de la alimentación imprevista puede ser peligroso; ej:

• ctos excitación máq. de c.c.

• ctos de alimentación de electroimanes de elevación.

• ctos 2arios transformadores de intensidad.

• ctos de alimentación de dispos. de extinción de incendios.

Prot. contra cortocircuitos L.A. Prot. contra sobrecargas L.A.

Disp. corte omnipolar

PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS

Origen de los cortocircuitos

• Fallos puntuales de aislamiento: sobretensiónorigen mecánico

• Defectos en las cargas conectadas

• Defectos de conexión de la instalación

Efectos de los cortocircuitos

• Efectos térmicos: Icc ? 1000 In ? Rápida destrucción del aislamiento en las partes recorridas por Icc

• Efectos electrodinámicos: Rotura de embarrados

SITUACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A CORTOCIRCUITOS

•En el origen de los circuitos y en los puntos en que disminuye IZ (int. adm.)

• Excepción: puede omitirse si la parte por debajo del punto de disminución de IZ está efectivamente protegida por un dispositivo situado antes

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS DE LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO

Caso general

Componentes• Componente simétrica i?(t) (alterna)• Componente asimétrica Ia (unidireccional o continua)

Parámetros • Corriente de cortocircuito ik(t)• Corrientes parciales de cortocircuito • Corriente simétrica de cortocircuito i?(t)• Corriente Inicial simétrica de cortocircuito I”k• Corriente máxima asimétrica de cortocircuito Is(corriente de cresta)• Corriente permanente de cortocircuito Ik• Corriente simétrica de corte Isc• Potencia de cortocircuito para la corriente inicial simétrica S”k (potencia de cortocircuito)

´´´´ 3 KnK IUS ??

ISalterna unidireccional

TIPOS DE CORTOCIRCUITOS

a) CORTOCIRCUITO TRIPOLAR: mayores corrientes, fácil de analizar, poco frecuente.

b) CORTOCIRCUITO BIPOLAR SIN CONTACTO A TIERRA.

c) CORTOCIRCUITO BIPOLAR CON CONTACTO A TIERRA.

d) CORTOCIRCUITO UNIPOLAR A TIERRA: más frecuente.

e) DOBLE DEFECTO A TIERRA.

C.C. TRIPOLARES ALIMENTADOS DESDE LA RED

(no hay generadores o motores de potencia elevada próximos)

sck´´k III ??

Is

Comp. alternaComp.. unidir.

CÁLCULO DE LA CORRIENTE INICIAL SIMÉTRICA I´´k

CÁLCULO DE LA CORRIENTE MÁXIMA ASIMÉTRICA Is

sckk

nTk II

ZUI ???3

''

UnT tensión nominal transf.

Zk = (Rk + j Xk) impedancia del circuito de defecto.

''ks I2=I ?

? = f(Rk, Xk)

??

C.C. EN BORNES DEL TRANSF. (B.T.) SUPONIENDO RED DE M.T. DE POTENCIA INFINITA

- Aproximación usual ? I´´k, Is ligeramente mayores

Datos:SnT: Potencia nominal del Transformador (kVA).UnT: Tensión nominal secundaria (V).?Rcc(%): Componente resistiva de la c.d.t.?Xcc(%): Componente inductiva de la c.d.t.

Cálculo de la impedancia de cortocircuito del transformador

Cálculo de la impedancia de defecto:

Zk = Zcc Rk = Rcc Xk = Xcc

Cálculo de I´´k e Is

sckk

nTk II

ZUI ???3

''

)()(

22 ???

???

???

?

?

?mXRZ

mSU

100(%)

=X

)(m SU

100(%)

=R

cccccc

nT

2nTXcc

cc

nT

2nTRcc

cc

?

?

''ks I2=I ?

(%)100''

cc

nTk

II

??

?en este caso I´´k se puede calcular:

InT corriente nominal del transf.?cc(%) c.d.t. cortocircuito.

Ejemplo 4: Cálculo de las corrientes de cortocircuito en bornes de un transformador de distribución de potencia Sn = 1.600kVA, relación 20/0,38 kV, y caídas de tensión porcentuales en

cortocircuito ?Rcc(%)=1, ?Xcc(%)=6.

?

?

m 4155 = 6001

380 1006

=X

m 9050 = 6001

380 100

1 =R

2

cc

2

cc

,.

,.

kA 939 =4953

380 =I

m 495 =4155+9050 =Z

k

22k

,,

,,,

"

?

?

kA 2890 =939612 =I

61 = 1/6 =X/R

s

kk

,,5,

5,

??

? ?

Ejemplo 5: Cálculo de la corriente de cortocircuito en bornes del transformador del ejemplo 4, considerando la impedancia de la red de distribución de 20 kV; se supone S”k = 350 MVA.

??

m 4155 =X

m 9050 =R

cc

cc

,,

??

?

m 4540= 350 1000

38011 =Z

m 4905 =Z2

L

cc

,,

,

??

??

m 0450 = 451010 =R

m 4510 = 45409950 =X

L

L

,,,

,,,

kA 4736 = 01663

380 =I =I

m 0166 = )45+451(0+)9050+045(0 =Z

kk

22k

,,

,15,,,,

''

?

?

kA 52824736612 =I

61 = 160 = 490)5+451905)/(00+045(0 =X/R

s

Kk

,,,

,,,,,,

???

? ?

Referidos 2º

C.C. EN BORNES DEL TRANSF. CONSIDERANDO LA IMPEDANCIA DE LA RED DE M.T.

Datos:Transformador: SnT, UnT, ?Rcc, ?Xcc. ? Rcc, XccRed: S”k: Potencia de cortocircuito de la red MVA

Cálculo de la impedancia, reactancia y resistencia de la línea de distribución, referidas al secundario del transformador:

Cálculo de la impedancia de defecto:

Cálculo de I”k e Is

sckk

nTk II

Z

UI ???

3''

''ks I2=I ?

??

?

m X 10 = R

m Z9950 = X

m S0001

U 11 = Z

LL

LL

k

2nT

L

,,

., ''

)(m )X+X( +)R+R( = Z

X +X = X

R +R = R

2ccL

2ccLk

ccLk

ccLk

?

3

C.C. EN UN PUNTO ALEJADO DEL TRANSFORMADOR

Se sigue le mismo proceso que en los casos anteriores, pero ahora:

X+R= Z

...+X+X+X+X= X

...+R+R+R+R= R

2k

2kk

321cck

321cck

sckk

nTk II

ZUI ???3

'' ''ks I2=I ? ? = f(Rk, Xk)

Cálculo de I”k e Is

• Normalmente se desprecia la impedancia de los embarrados.

• Se considera S”k ? ? (ZL MT despreciable frente a las impedancias de los cables).

• Ri, Xi se estiman a partir de datos del fabricante de los cables, ábacos y tablas en la bibliografía.

• Valores orientativos:

)(. ?ms n

l 0001=Rii

ii

???

??

???

FeAlCu

mmm

7/135/158/1

)( 2?

)(´

mm

nx

=x ii

???

??

??

?

80 esmultipolar cables130ón distribuci barras330 aéreoconductor

)(´kmm

x í

n: Nº de conductores en paralelo por fase

no tiene en cuenta el efecto pelicular

R Resistencia efectiva

XF Reactancia de líneas aéreas (conductores desnudos)

XK Reactancia de cables

(Cuando se emplean conductores de aluminio, los valores de la resistencia efectiva, tomados del diagrama deben multiplicarse por 1,7)

Ejemplo 7: Cálculo de las corrientes de cortocircuito en los puntos A, B, C y D de la siguiente instalación.

Ri

(m? )

Xi

(m? )

? Ri

(m? )

? Xi

(m? )

?Zki

(m? )

I”k

(kA)

R/x ? IS (KA)

2,29 6,87 2,29 6,87 7,24 30,38 0.33 1.4 60

1,5/2 0,7/2 3,04 7,22 7,83 28,08 0.42 1.3 51.6

57 11 60,04 18,22 62,74 3,51 3.3 1 3.51

24 1,4 84,04 19,62 86,30 2,55 4.3 1 2.55

A

B

C

D

CALENTAMIENTO DE UN CONDUCTOR EN C.C.

Ecuación del calentamiento adiabático (t < 5 seg.)

dTVCdtRi e??2

22

0

2 SKdT

Sl

SlCdti ad

rég

T

T

et?? ?? ?

?

?: densidad V: volumen

C.C. que produce el calentamiento máximo admisible

22

0

2 SKdtit

??

???

)T,(T oaislamient de tipo) ,(conductor de tipo

Kadrég

??

Valores de KPVC XLPE

Cu 115 135Al 74 87

• Cortocircuitos largos (t > 0.1 s)

Calentamiento producido por componente continua <<

t) IS

K ( t ad2 ???

? ????t

kkcc SKtIdtitIi0

2222sen2 ?

•Cortocircuitos cortos (t < 0.1 s) ? icc no senoidal

22

0

2

0

2 SKdtidtiadm

tt??

???

??? ??

I2t que deja pasar la protección ? DATO DADO FABRICANTE

Tad: 1600C PVC2200C XLPE

SELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN FRENTE A C.C.

Sistema de protección frente a c.c. Regla general (UNE 20-460)

En toda instalación eléctrica deben preverse dispositivos de protección que garanticen que toda corriente de c.c. será interrumpida antes de que sus defectos térmicos y mecánicos puedan resultar peligrosos para los conductores y conexiones.

Condiciones que deben cumplir los dispositivos de protección contra cortocircuitos

PODER DE CORTE DIS. ? I´´K (IK)

TIEMPO DE CORTE DISP. tc ? tadm (Tc Tadm) para cualquier c.c. originado en el cto que protege el disp.

• Cortocircuitos largos (t > 0.1 s)

tadm

en el punto donde está instalado

) IS

K ( = t2

ad ?

• Cortocircuitos cortos (t < 0.1 s)

2adm

2Disp

2 )(t)(It)(I SK ???

(I2t)Dsip: Característica dada por el fabricante.

tad: Tiempo admisible en segundos.I: Valor eficaz de la corriente de c.c. prevista en A.S: Sección del cable en mm2.K: Constante que depende del material conductor y

del tipo de aislante.

Secc. (I2t)adm

(mm2) Al, PVC Al, Poliet. Cu, PVC Cu, Poliet.

16 1,4 × 106 1,9 × 106 3,4 × 106 4,7 × 106

35 6,7 × 106 9,3 × 106 1,6 × 107 2,2 × 107

70 2,7 × 107 3,7 × 107 6,5 × 107 8,9 × 107

95 4,9 × 107 6,8 × 107 1,2 × 108 1,6 × 108

120 7,9 × 107 1,1 × 108 1,9 × 108 2,6 × 108

240 3,2 × 108 4,4 × 108 7,6 × 108 1,0 × 109

I2t admisible para distintos tipos de cable.

PROTECCIÓN MEDIANTE INTERRUPTOR AUTOMÁTICO

Condiciones que debe cumplir el I.A. para que la línea este efectivamente protegida

a) Poder de Corte del I.A. > Icc,máx(prevista) ? Ik máx

b) Icc,mín > Ia Ia es la intensidad de regulación del disparador electromagnético, puede ser ajustable o no

c) Icc,máx < Ib la energía (I2t) que deja pasar el I.A. para el c.c. máximo ha de ser menor que la

admisible por el cable).Ik max

Trafo L1 L2

Ri(m? ) 2,29 3 89

Xi(m? ) 6,87 1,4 3,5

? Ri(m? ) 2,97 5,97 94,97

? Xi(m? ) 6,87 8,27 11,77

Zki(m? ) 7,24 10,19 95,7

Ik(kA) 30,28(A) 21,56(B) 2,29(C)

a) Poder de corte de I.A.1 = 35 kA > Ik(A) ? cumple criterio a)

b) El disparador electromagnético es ajustable entre 5In = 1.250 A y10In = 2.500 A. Ajustando Ia ? 2,1 kA

Icc,mín = Ik(C) = 2,29 > Ia = 2,1 kA ? cumple criterio b)

Ejemplo 8: Análisis de la protección contra cortocircuitos de la línea L2(conductor de Cu, aislada con PVC) mediante el I.A.1, instalado en el origen de la línea L1

I2=60A

c) La línea L2 está constituida por cable de cobre de 10 mm2 aislado en PVC:

(I2t)adm =(115 × 10)2 = 1,3 x106 A2s.

Entrando con este valor en la característica de I2t:

Icc,máx = Ik(B) = 21,56 > Ib ? 13 kA > ? NO cumple criterio c)

12502500A

1.3·106

Ib ? 13 k A

PROTECCIÓN MEDIANTE FUSIBLE

Línea efectivamente protegida:

a) Poder de Corte del Fusible > Icc, máx

b) Icc, mín > Ia o ta d < t F

(la caract. I/t del FUSIBLE está por debajo de la caract. (I/t)adm del cable).

Ejemplo 9: Protección frente a cortocircuitos mediante fusibles cuyas características I-t se dan en la figura 6.25 (Poder de corte = 100 kA) de la línea L2 del ejemplo 8.

a) 100 > 30.28 KA

b) Icc, mín = 2.229 KA

2

229010

115 ???

????adt

segtad 25.0?

Fusibles válidos In: 200, 160, 125, 100, 80 y 63 A

0.25s

I2= 60 A

F

COMBINACIÓN FUSIBLE-INTERRUPTOR AUTOMÁTICO

• Permite utilizar I.A. de bajo poder de corte (baratos) en puntos con elevadas intensidades de c.c.

• El I.A. debe actuar frente a sobrecargas.

• El fusible debe proteger contra cortocircuitos.

• Si Ic es la corriente a la que se cortan las carac. se debe cumplir:

Ic < Poder corte I.A.

• Interesa que Ic sea próximo al poder de corte, para que el I.A. despeje el mayor número posible de c.c. (Ia < Icc < Ic).

Ejemplo 10: Selección del fusible adecuado para instalar en la línea L1 del ejemplo 8, suponiendo ahora que el poder de corte del interruptor I.A.1 es Ic = 25 kA.

Icc = Ic = 25 kA ? Ic/In = 25.000/250 = 100 ? tc = 10 ms

Fusibles válidos: (I = 25.000 A, t < 0,01 s) ? Calibres: 250, 315, 400, 500 A

se seleccionaría el de mayor calibre (In = 500 A) ya que es el que fundirá menos veces.

COMBINACIÓN CONTACTOR-RELÉ TÉRMICO-FUSIBLE

• Protección líneas que alimentan consumos con maniobras frecuentes.

• Contactor + relé térmico: Protección frente a sobrecargas.

• Fusible: Protección frente a c.c. y sobrecorrientes mayores que el poder de corte del contactor.

• Las características deben cortarse para una corriente algo menor que el poder de corte del contactor.

• El punto de arranque del motor (Iarr, tarr), está por debajo de la característica del fusible.

TRANSFORMADOR MONOFÁSICO IDEAL

trNN

EE

UU

???2

1

2

1

2

1

trUU

IIIUIU 133

1

2

2

12211 ??????

CORTOCIRCUITO EN BORNES DEL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO REAL

cccccc

cc jXRIU

Z 111

11 ??? ?

??

cc

t

cccc

tt

cctcctcc Z

U

rZU

ZUr

rZU

rIrI2

2

21

2

1

2

1

112 ?

???

??

??

???

???

????

?????

Impedancia de cortocircuito vista desde el primario

R1cc: Resistencia de c.c. 1º

X1cc: Reactancia de c.c. 1º

Corriente de cortocircuito en el secundario

Z2cc: Impedancia de c.c. 2º

Resistencia y Reactancia de cortocircuito referidas al 2º: R2cc y X2cc

21

2t

cccc r

ZZ

??

? 21

2t

cccc r

RR ?

21

2t

cccc r

XX ?

CAIDA DE TENSIÓN EN CORTOCIRCUITO

cctt

cccctncccc Ur

rI

ZrIZU 22

22

111 )(??????

???

Caída de tensión en cortocircuito referida al primario (U1cc)valor eficaz de la tensión que hay que aplicar al devanado primario para que circule por él la intensidad nominal, estando el secundario en cortocircuito.

Caída de tensión en cortocircuito referida al secundario (U2cc)(análoga al 1º)

Caída de tensión porcentual en cortocircuito ?cc(%)

n

cc

n

cccc U

UUU

2

2

1

1 100100(%) ?????

22

221

11

11

1

11 100100100100(%)n

ncc

n

ncc

n

ccn

n

n

ccncc U

SZ

US

ZU

ZUS

UZI

?????????

Componentes de la caída de tensión en cortocircuito

XccRccnccncccc UjUIXjIRU??????

????

nccRcc IRU??

?

nccXcc IjXU??

?

Caída de tensión resistiva en c.c.:

Caída de tensión inductiva en c.c.:

Caída de tensión resistiva en tanto por cien

n

RccRcc U

U?? 100(%)?

Caída de tensión inductiva en tanto por cien

n

XccXcc U

U?? 100(%)?

2100100(%)n

ncc

n

ccnRcc U

SR

URI

?????

2100100(%)n

ncc

n

ccnXcc U

SX

UXI

?????

222 (%) XccRcccc ??? ??

Impedancias de cortocircuito

)(100

(%) 2

??n

ncccc S

UZ

?

)(100

(%) 2

??n

nRcccc S

UR

?

)(100

(%) 2

??n

nXcccc S

UX

?

Zcc, Rcc y Xcc están referidos al primario o al secundario dependiendo de que la tensión Un utilizada sea la primaria o la secundaria.

TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS

Impedancias transformadores trifásicos (Zcc, Rcc, Xcc)valores por fase de un transformador estrella-estrella equivalente, obtenidos mediante el ensayo de cortocircuito.

Corrientes y tensiones (Un, In, Ucc, Icc)son valores de línea.

Potencia aparente del transformador Sn

El estudio del cortocircuito trifásico

Estudio del cortocircuito en bornes del transformador monofásico fase-neutro equivalente, alimentado con una tensión de valor eficaz

Impedancias de cortocircuito

Corrientes de cortocircuito

? ??31nU

)(100

(%) 2

??n

ncccc S

UZ

?

)(100

(%) 2

??n

nRcccc S

UR

?

)(100

(%) 2

??n

nXcccc S

UX

?

cc

ncc Z

UI

1

11 3 ?

?cc

ncc Z

UI

2

22 3 ?

?

(%)100 2

2cc

ncc

II

???

(%)100 1

1cc

ncc

II

???

(%)100

(%)33

100(%)3

100

100(%)

332

2

22

222

2

2

22

cc

n

ncc

nn

ncc

n

n

ncc

n

cc

ncc

IU

IUU

S

SU

UZ

UI

??????

??

???

???

??

?

ESTIMACIÓN DE LA IMPEDANCIA DE LA RED

Potencia de cortocircuito

ccLnLK IUS ?? 3

nLU, E ?? 11

???

??

nL

k

L

nLccL U

SZ

UI

331,1

K

nLL S

UZ

2

1,1 ???

LL Z, X ?? 9950

LL X, R ?? 10

Impedancia equivalente de la red