anÁlisis de esquemas de protecciÓn para redes de baja
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ANÁLISIS DE ESQUEMAS DE PROTECCIÓN PARA REDES DE BAJA TENSIÓN INDUSTRIALES PARA MEJORAR LA CALIDAD DE
LA POTENCIA ELÉCTRICA
IVÁN CAMILO DÍAZ MUÑOZ JOSÉ ULISES SANTIAGO ESCOBAR
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
BOGOTÁ, ENERO DE 2004
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ANÁLISIS DE ESQUEMAS DE PROTECCIÓN PARA REDES DE BAJA TENSIÓN INDUSTRIALES PARA MEJORAR LA CALIDAD DE
LA POTENCIA ELÉCTRICA
IVÁN CAMILO DÍAZ MUÑOZ JOSÉ ULISES SANTIAGO ESCOBAR
Trabajo de Grado para optar al título de Ingeniero Electrónico
ASESORES MARÍA TERESA RUEDA DE TORRES GUSTAVO ANDRÉS RAMOS LOPÉZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
BOGOTÁ, ENERO DE 2004
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TABLA DE CONTENIDO
1 INTRODUCCION ____________________________________________________ 6 1.1 RESUMEN _____________________________________________________ 6 1.2 OBJETIVO _____________________________________________________ 6 1.3 ALCANCE _____________________________________________________ 6
2 MARCO TEORICO __________________________________________________ 8 2.1 CALIDAD DE LA POTENCIA ELECTRICA ____________________________ 8
2.1.1 Definición.__________________________________________________ 9 2.1.1.1 Frecuencia [10] _____________________________________________ 9 2.1.1.2 Amplitud [10] ______________________________________________ 9 2.1.1.3 Forma de onda [10] ________________________________________ 10 2.1.1.4 Desbalance [10]___________________________________________ 10 2.1.1.5 Continuidad [10]___________________________________________ 10
2.1.2 Sistemas de puestas a tierra (SPT) [13]__________________________ 10 2.1.2.1 Tipos de SPT ____________________________________________ 11 2.1.2.2 Compatibilidad electromagnética (EMC) _______________________ 12 2.1.2.3 Sistema integral de protección contra rayos (SIPRA) _____________ 13
2.1.3 Armónicos_________________________________________________ 17 2.1.4 Transientes de voltaje _______________________________________ 19 2.1.5 Ruido eléctrico _____________________________________________ 20 2.1.6 Variaciones de tensión _______________________________________ 21
2.1.6.1 Voltajes constantes altos ___________________________________ 21 2.1.6.2 Voltajes constantes bajos___________________________________ 21 2.1.6.3 Descensos de voltaje de corta duración (SAGS) [1] ______________ 22 2.1.6.4 Subidas de voltaje de corta duración (SWELLS) [1] ______________ 22
2.1.7 Apagones [1] ______________________________________________ 22 2.1.7.1 Prolongadas _____________________________________________ 22 2.1.7.2 Momentáneas____________________________________________ 22
2.2 CARGAS NO LINEALES _________________________________________ 22 2.2.1 Definición _________________________________________________ 22 2.2.2 Descripción [12] ____________________________________________ 23
2.3 ESQUEMAS DE PROTECCION EN REDES DE BAJA TENSION [12]______ 24 2.3.1 Selectividad _______________________________________________ 25 2.3.2 Filiación __________________________________________________ 26 2.3.3 Protección contra sobreintensidades ____________________________ 27 2.3.4 Protección contra sobrecargas_________________________________ 28 2.3.5 Protección contra cortocircuito _________________________________ 29 2.3.6 Dispositivos de protección para redes de baja tensión [15][16] ________ 30
2.3.6.1 Cortacircuitos fusibles o Fusibles de alta capacidad ______________ 30 2.3.6.2 Interruptores y relés _______________________________________ 31 2.3.6.3 Empleo de los interruptores _________________________________ 33
2.3.7 Dispositivos de protección para la calidad de la potencia [14]_________ 34 2.3.7.1 Transformador de aislamiento _______________________________ 34 2.3.7.2 Supresores de transientes (TVSS)____________________________ 36 2.3.7.3 Protección al ruido, elevaciones y sags ________________________ 37 2.3.7.4 Protección contra armónicos ________________________________ 38 2.3.7.5 Protección contra fluctuaciones de voltaje ______________________ 38
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2.3.7.6 Protección contra interrupciones _____________________________ 39 3 METODOLOGÍA ___________________________________________________ 40
3.1 GUÍA GENERAL DE UN PROCEDIMIENTO DE INSPECCIÓN PARA EL LEVANTAMIENTO DE UN ESQUEMA DE PROTECCIÓN_____________________ 40
3.1.1 Primera etapa: Estudio preliminar ______________________________ 42 3.1.1.1 Inspección visual _________________________________________ 42 3.1.1.2 Realizar la encuesta_______________________________________ 42 3.1.1.3 Presentar informe preliminar ________________________________ 42 3.1.1.4 Obtener diagrama unifilar___________________________________ 42
3.1.2 Segunda etapa: Estudio técnico preliminar _______________________ 42 3.1.2.1 Flujo de carga____________________________________________ 43 3.1.2.2 Estudio de corto circuito ____________________________________ 44 3.1.2.3 Estudio de armónicos______________________________________ 44
3.1.3 Estudio técnico _____________________________________________ 44 3.1.3.1 Identificar puntos débiles ___________________________________ 44 3.1.3.2 Presentar diferentes alternativas de filosofía de esquemas de protección 44 3.1.3.3 Soluciones y/o recomendaciones_____________________________ 44
3.2 ENCUESTA ___________________________________________________ 44 3.2.1 Lenguaje VBA______________________________________________ 45 3.2.2 Manual del usuario __________________________________________ 45
3.2.2.1 Instalación ______________________________________________ 45 3.2.2.2 Ejecución del programa ____________________________________ 45 3.2.2.3 Llenando las formas _______________________________________ 47
4 APLICACIÓN DE LA METODOLOGIA: CASO PRÁCTICO EN CLARIANT _____ 51 4.1 Primera etapa: Estudio preliminar __________________________________ 51 4.2 Segunda etapa: Estudio técnico preliminar ___________________________ 51
4.2.1 Flujo de carga______________________________________________ 51 4.2.2 Estudio de corto circuito ______________________________________ 52 4.2.3 Estudio de armónicos________________________________________ 53
4.3 Tercera etapa: Estudio técnico_____________________________________ 55 5 CONCLUSIONES __________________________________________________ 57 6 BIBLIOGRAFIA ____________________________________________________ 58 LISTA DE TABLAS Tabla 2-1. Sistema Integral de Protección contra Rayos_________________________ 14 Tabla 2-2. Indicador de Exposición _________________________________________ 14 Tabla 2-3. Uso de la Estructura ____________________________________________ 15 Tabla 2-4. Tipo de la Estructura____________________________________________ 15 Tabla 2-5. Altura y área de la Estructura. ____________________________________ 15 Tabla 2-6. Indicador de Gravedad. _________________________________________ 15 Tabla 2-7. Matriz de Niveles de Riesgo ______________________________________ 16 Tabla 2-8. Acciones Recomendadas según el Nivel de Riesgo ___________________ 16 Tabla 2-9. Especificaciones de los Pararrayos ________________________________ 17 Tabla 2-10. Requerimientos para las Bajantes ________________________________ 17 Tabla 4-1 Resumen resultados flujo de carga _________________________________ 52 Tabla 4-2 Resumen resultados corrientes de corto circuito_______________________ 52 Tabla 4-3 Armónicos de voltaje en los barrajes de 220 V y 360 V _________________ 54
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Tabla 4-5 Espectro armónico de cargas no lineales ____________________________ 55 Tabla 4-6 Resumen dispositivos de protección ________________________________ 56 LISTA DE FIGURAS Figura 2-1 Concepto de selectividad ________________________________________ 25 Figura 2-2 Explicación gráfica del concepto de filiación _________________________ 26 Figura 2-3 Ventajas de la filiación __________________________________________ 27 Figura 2-4 Filiación (izquierda) y selectividad (derecha) _________________________ 27 Figura 2-5 Protección contra sobrecargas____________________________________ 28 Figura 2-6 Zona de funcionamiento de un fusible ______________________________ 30 Figura 2-7 Elemento combinado, fusible e interruptor ___________________________ 32 Figura 2-8 Clases de empleo de los interruptores: 1. De receptores 2. De distribución 3.
De acoplamiento 4. De alimentación ____________________________________ 33 Figura 2-9 Configuración de un transformador de aislamiento ____________________ 35 Figura 2-10 Escudo de transformador de aislamiento ___________________________ 35 Figura 3-1 Diagrama de bloques básico _____________________________________ 40 Figura 3-2 Diagrama de bloques específico __________________________________ 41 Figura 3-3 Programas sugeridos para cada etapa _____________________________ 43 Figura 3-4 Seleccionar el nivel de seguridad de las macros ______________________ 46 Figura 3-5 Niveles de seguridad para las macros en Microsoft Excel _______________ 46 Figura 3-6 Pantalla inicial_________________________________________________ 47 Figura 3-7 Forma donde las preguntas son abiertas ____________________________ 47 Figura 3-8 Forma donde el usuario selecciona las opciones de unas predeterminadas_ 48 Figura 3-9 Forma donde las preguntas son de respuesta Si ó No (ó No sabe)________ 48 Figura 3-10 Pantalla después de llenar completamente la encuesta. _______________ 49 Figura 3-11 Generar reporte ______________________________________________ 49 Figura 3-12 Imprimir carta ________________________________________________ 50 Figura 4-1 Diagrama unifilar simplificado Clariant S.A. __________________________ 51 Figura 4-2 Espectro armónico cargas no lineales ______________________________ 53
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1 INTRODUCCION
1.1 RESUMEN
Muchos procesos industriales sufren por problemas de la calidad de la potencia
eléctrica, y las operaciones de manufactura se puede ver altamente perjudicadas por fluctuaciones lentas o rápidas del voltaje, fluctuaciones lentas o rápidas de la frecuencia, desbalances en los sistemas trifásicos, oscilaciones del neutro, el ruido eléctrico, así como la presencia de la distorsión de voltajes o corrientes en el suministro de la energía.
El crecimiento continuo de los sistemas eléctricos de distribución de potencia y la inclusión dentro de ellos de un mayor número de elementos no lineales, como los equipos electrónicos, han contribuido al incremento de la presencia de formas de onda no senoidales en el suministro de la energía eléctrica, las cuales esencialmente introducen una componente de pérdidas y mal funcionamiento de equipos, por lo que su tratamiento dentro del estudio global del sistema, principalmente en lo relacionado al tema de calidad del suministro de la energía eléctrica, es de alta importancia.
En este estudio se propone una metodología para realizar análisis de esquemas de
protección, ya que al tener procedimientos sistemáticos, no se omiten con tanta facilidad detalles importantes que comprometen el funcionamiento adecuado del sistema eléctrico de las instalaciones. En el capitulo 2 se podrá encontrar el marco teórico correspondiente a las necesidades de este estudio como son: calidad de la potencia eléctrica, cargas no lineales y esquemas de protección. En seguida, en el capitulo 3 se plantea una metodología para realizar una inspección del esquema de protección de una industria y la formulación de un modelo técnico económico para realizar ajustes y/o correcciones. Posteriormente, en el capitulo 4 se presentan los procedimientos y resultados aplicando esta metodología aun caso piloto, además de el análisis de los resultados obtenidos y por último en el capitulo 5 se presentan las conclusiones.
1.2 OBJETIVO
Analizar los esquemas actuales de protección de los sistemas industriales desde el
punto de vista de la conservación de los niveles de calidad de la potencia, con el fin de establecer los componentes y elementos básicos de protección y alarmas del sistema que garanticen su operación adecuada.
1.3 ALCANCE
Este estudio permitirá establecer una metodología para el análisis de esquemas de protección que garanticen un servicio de energía eléctrica dentro de niveles adecuados de calidad de la potencia eléctrica en sistemas industriales.
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En el proyecto se desarrollaron las siguientes actividades:
• Análisis bibliográfico sobre esquemas de protección en cargas no lineales • Formulación de un procedimiento de inspección para el levantamiento de un
esquema de protección, tanto para cargas no lineales como no lineales • Selección de un sistema piloto para la aplicación del modelo. • Aplicación de la metodología • Análisis de los resultados • Conclusiones
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2 MARCO TEORICO
En este capitulo se presenta un breve resumen correspondiente a los diferentes temas involucrados en este estudio, se tocan temas tales como calidad de la potencia eléctrica, cargas lineales y no lineales, esquemas de protección, entre otros. En esta sinopsis no se pretende realizar un estudio profundo en cada uno de los tópicos, si no al contrario una base para poder entender el estudio que se pretende realizar.
2.1 CALIDAD DE LA POTENCIA ELECTRICA
Calidad de la potencia eléctrica es un término utilizado para referirse al estándar de
calidad que debe tener el suministro eléctrico de las instalaciones en términos de voltaje, frecuencia y forma de onda. Se busca mantener una tensión y frecuencia constante, y una forma de onda sinusoidal de mínimas perturbaciones como: armónicos, ruido, transientes, fluctuaciones, entre otros parámetros. [5] El termino calidad de la potencia es mucho mas que la entrega de potencia eléctrica limpia. Este concepto involucra:
• Diseño • La instalación • La selección de software y hardware • El mantenimiento [5]
Se requiere de una alta calidad de la potencia eléctrica debido a:
• Los equipos empleados en la actualidad son más sensibles a las variaciones del voltaje de alimentación; y a medida que pase el tiempo estos equipos serán aún más sensibles de lo que lo son ahora.
• La necesidad de procesos eficientes, ha incrementado la aplicación de la electrónica de potencia
• El usuario final exige un servicio continuo, el cual aumente el nivel de productividad.
• El servicio al cliente, es un gran valor para los negocios actuales. Y puede ser afectado por un mal servicio u operación de la infraestructura eléctrica.
• Actualmente muchos elementos se interconectan en red. En procesos integrados el daño de cualquier componente implica graves consecuencias, tales como pérdidas de datos, operación inadecuada de equipos, reparaciones costosas, pérdidas económicas. [5]
Los principales complicaciones que enfrenta la calidad de la potencia eléctrica son:
• Puestas a tierra y cableados • Armónicos • Transientes de voltaje • Ruido eléctrico
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• Variaciones de tensión • Apagones [5]
2.1.1 Definición. La calidad de la potencia eléctrica se define como la presencia continua de una onda senoidal de voltaje y corriente en todo y cada uno de los terminales de un sistema eléctrico. Sus magnitudes, frecuencia y rangos de variación están definidos por resoluciones y normas. [1] En otras palabras calidad de la potencia eléctrica es un término utilizado para referirse al estándar de calidad que debe tener el suministro eléctrico de las instalaciones en términos de voltaje, frecuencia y forma de onda. [5]
“La percepción de la calidad no es única, está muy relacionada con el tipo de equipos del usuario y de la forma como este los opera. Dos usuarios conectados a la misma red, pueden tener una opinión muy diferente de la calidad del servicio que se les presta. Igualmente, para un usuario, esta percepción de la calidad puede cambiar con el tiempo debido a la adquisición de equipos cada vez mas sofisticados.
Para definir en términos generales que es la Calidad de Potencia Eléctrica, se puede utilizar la definición del Electric Power Research Institute-EPRI: "Cualquier problema de potencia manifestado en la desviación del voltaje, de la corriente o de la frecuencia que ocasione talla o mala operación el equipo de un usuario". La calidad de la potencia esta muy relacionada con la Compatibilidad Electromagnética (EMC) y ésta con todas las clases de influencias electrónicas o electromagnéticas o perturbaciones, por conducción o radiación, en el rango completo de frecuencia desde DC hasta GHz.
Aunque internacional mente el concepto de calidad de potencia se refiere fundamentalmente a la calidad del voltaje, en el país, debe incluirse la continuidad o confiabilidad del suministro, teniendo en cuenta que su efecto es muy importante para los usuarios y considerando los bajas niveles de confiabilidad existentes en la mayoría de las empresas distribuidoras. Esto hace que el concepto de la calidad de potencia deba expresarse en un termino mas amplio como seria el de Calidad del Servicio.” [2]
2.1.1.1 Frecuencia [9] La variación de la frecuencia no se presenta comúnmente en los sistemas conectados a una empresa de energía, pero puede experimentarse en sistemas con autogeneración debido a las variaciones en la carga o a un mal funcionamiento de los equipos.
2.1.1.2 Amplitud [9] La descripción y definición de la variación de la amplitud es difícil y controversial en algunos casos, ya que las variaciones se pueden presentar desde muy cortas duraciones hasta condiciones de estado estable.
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2.1.1.3 Forma de onda [9] La variación de la forma de onda ocurre cuando cargas no lineales demandan una corriente no lineal. Este tipo de perturbación puede describirse como una distorsión armónica.
2.1.1.4 Desbalance [9] El desbalance ocurre cuando se conectan cargas monofásicas desiguales a un sistema trifásico y estas causan la pérdida de la simetría. Estas perturbaciones están generalmente relacionadas con las máquinas rotativas y con los rectificadores trifásicos.
2.1.1.5 Continuidad [9] La continuidad está relacionada con las interrupciones del suministro y con su confiabilidad.
2.1.2 Sistemas de puestas a tierra (SPT) [13] La función de la puesta a tierra de una instalación eléctrica es la de dispersar en el terreno las corrientes de cualquier naturaleza que se pueden presentar ya sea por falla, frecuencia industrial, descargas atmosféricas o debido a maniobras. La instalación de puesta a tierra debe cubrir los siguientes objetivos:
• Seguridad de las personas. • Protección de las instalaciones. • Protección a equipos eléctricos y electrónicos. • Compatibilidad electromagnética (EMC). • Establecimiento y continuidad de un potencial de referencia • Eliminación de ruidos eléctricos. • Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas. • Conducir y disipar las corrientes de fallas con suficiente capacidad. • Transmitir señales de RF en onda media. • Continuidad de servicio.
Los requisitos mínimos con los cuales debe cumplir un sistema de puesta a tierra son:
• El valor de la resistencia debe ser el adecuado para cada tipo de instalación. • La variación de la resistencia debida a cambios ambientales debe ser mínima. • Su vida útil debe ser mayor de 20 años. • Debe ser resistente a la corrosión. • Debe permitir su mantenimiento periódico. • Cumplir los requerimientos de las normas y especificaciones. • Su costo debe ser el más bajo posible, sin que se comprometa la seguridad.
Según el National Electrical Code (NEC), la necesidad de instalación o no de puesta a tierra se rige de acuerdo con la siguiente clasificación de los sistemas eléctricos:
• Sistemas de corriente continua bipolar. • Sistemas de corriente continua tripolar.
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• Algunos sistemas de corriente alterna de menos de 50 V. • Casi todos los sistemas de corriente alterna de 50 a 1KV. • Todos los sistemas de corriente alterna de 1KV y más.
En la práctica de ingeniería actual, se requiere conexiones de puesta a tierra en:
• Aparatos eléctricos de fábricas y residencias para más de 50 V. • Sistemas de corriente continua. • Centro de la estrella en generadores y transformadores. • Pararrayos. • Máquinas que generan electricidad estática. • Áreas de atención crítica en hospitales. • Herramientas eléctricas portátiles. • Algunos sistemas de menos de 50V.
No se requieren SPT en:
• Equipos con doble aislamiento. • Sistemas de aislamiento de hospitales. • Sistemas de iluminación que trabajan a menos de 30V. • Sistemas de muy baja tensión.
2.1.2.1 Tipos de SPT De protección (para equipos):
• De carcasas. • De herramientas portátiles.
De servicio (para sistemas eléctricos):
• De pararrayos. • Configurada artificialmente. • De alta frecuencia. • De corriente continua. • De equipos de comunicaciones. • De equipos de cómputo. • De estática. • De protección catódica. • De subestación.
Temporales (para trabajos de mantenimiento)
• De baja tensión. • De media tensión. • De alta tensión.
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• De electricidad estática en tensión. • Para carga y descarga de combustibles.
2.1.2.2 Compatibilidad electromagnética (EMC)
La EMC es la armonía que se presenta en un ambiente electromagnético, en el cual operan equipos receptores cumpliendo con sus funciones satisfactoriamente. El desarrollo de componentes electrónicos y su aplicación en forma masiva, ha impuesto niveles más exigentes en el diseño de las instalaciones. De ahí la importancia de diseñar y construir los SPT dentro del marco de la EMC.
Los objetivos centrados en seguridad de personas, instalaciones y equipos se quedan cortos. Deben exigirse nuevos objetivos con el fin de mantener la seguridad y, además, permitir a los procesos la continuidad de funcionamiento, aún bajo condiciones severas. Y los SPT son un componente fundamental en la búsqueda de estos nuevos objetivos.
Existen tres factores que alteran las condiciones de integridad y desempeño de equipos y procesos, son:
• Fenómenos como rayos, fallas a tierra, radiaciones, inducciones etc. • Situaciones como malos cableados de potencia, de comunicaciones y
de SPT. • La susceptibilidad de los dispositivos.
La estructura de la EMC esta compuesta por.
• Emisor: Fuente de perturbaciones electromagnéticas (rayos,
armónicos, cortocircuitos, ruidos eléctricos, variaciones de frecuencia, etc.).
• Canal de acople: Une el emisor con el receptor, es por donde llegan las perturbaciones a los receptores creando interferencias electromagnéticas (redes eléctricas de potencia, de comunicaciones, SPT)
• Receptor: Son personas, instalaciones, equipos o procesos que son susceptibles de ser interferidos.
Bajo la anterior estructura se obtiene el control de fenómenos electromagnéticos que pueden interferir a los receptores. Existen tres técnicas para controlar estos fenómenos:
• Eliminar las perturbaciones en su origen (emisor), aunque en algunos casos no se puede como en los rayos.
• Atenuar o suprimir en el canal de acople las perturbaciones o disminuir las impedancias y el efecto Joule. Es la de mayor aplicación.
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• Aumentar la inmunidad o disminuir la susceptibilidad de los puertos de los equipos, aunque la evolución de los equipos no se ha dado hacia la inmunidad.
2.1.2.3 Sistema integral de protección contra rayos (SIPRA) El rayo o descarga eléctrica atmosférica es una de las perturbaciones electromagnéticas que más pueden afectar las instalaciones. Un rayo puede considerarse como una fuente de corriente, capaz de hacer fluir una corriente permanente (la asociada con el rayo) a través de una impedancia. El rango de las corrientes del rayo se estima desde 2 Ka a 500 KA y la distribución de valores, en la forma como ocurre en la naturaleza, se asume del tipo logarítmica-normal. El propósito de la protección contra rayos es controlar (no eliminar) el fenómeno natural, encausándolo en forma segura. A un alto nivel de riesgo siempre corresponderá un alto nivel de protección. Colombia, por estar situada en la zona de confluencia intertropical, presenta una de las más altas actividades eléctricas atmosféricas del mundo, por lo que resulta apenas lógico complementar el tema de tierras con el de protección contra rayos. En la Tabla 2-1 se presentan los componentes del SIPRA, desarrollado por la norma NTC 4552.
2.1.2.3.1 Evaluación del nivel de riesgo Basados en la Norma Técnica Colombiana 4552 de Icontec, se establece una metodología para evaluar el nivel de riesgo frente a los rayos, teniendo en cuenta las excepcionales condiciones de la zona ecuatorial. Contempla los parámetros del rayo que más involucran la exposición al riesgo (Tabla 2-2), y los aspectos que dado el impacto del rayo, impliquen un daño mayor o menor, es decir, su gravedad (Tabla 2-6). El índice de gravedad, esta relacionado directamente con los valores que presentan los índices relacionados con la estructura, como son el uso, el tipo y la combinación de altura y área, como se presenta en las tablas Tabla 2-3, Tabla 2-4, Tabla 2-5 y Tabla 2-6.
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COMPONENTE FUNCIÓN QUE CUMPLE 1 Evaluación del nivel de riesgo. Determinar el nivel de protección requerido.
2 Sistema de protección externo (SPE). Canalizar el rayo hasta el suelo en forma segura.
2.1 Terminales de captación. Interceptar el rayo.
2.2 Bajantes. Conducir el rayo, reducir el di/dt, atenuar efectos internos del campo magnético.
2.3 Puesta a tierra de protección contra rayos. Dispersar y disipar la corriente del rayo.
3 Sistemas de protección interno (SPI). Limitar las sobrecorrientes y sobretensiones transitorias al interior de la instalación.
3.1 Equipotencialización con DPS. Limitar sobretensiones en los puertos de los equipos absorbiendo las corrientes transitorias.
3.1.1 Protección primaria. Limitar sobrecorrientes transitorias al interior de las instalaciones.
3.1.2 Protección secundaria. Limitar sobretensiones en equipos electrónicos.
3.2 Equipotencialización con conductores. Reducir efectos internos del campo eléctrico.
3.3 Apantallamientos localizados. Reducir efectos internos del campo magnético en equipos electrónicos.
3.4 Topología de cableados. Contribuir a la EMC, disminuyendo las impedancias de transferencia.
3.5 Instalación de filtros. Controlar las perturbaciones conocidas, comúnmente se aplican pasabajos.
4 Prevención de riesgos.
4.1 Guía de seguridad personal. Desarrollar comportamientos seguros de las personas.
4.2 Sensor de tormentas. Suspender actividades de alto riesgo. 4.2.1 Fijos. Suspender actividades de alto riesgo. 4.2.2 Portátiles. Suspender actividades de alto riesgo. Tabla 2-1. Sistema Integral de Protección contra Rayos
INDICE DE EXPOSICIÓN Densidad de descargas a tierra [Descargas/Km2 - año] Corriente pico absoluta promedio [kA] 40<=labs 20<=labs<40 labs<20 30<=DDT Severa Severa Alta 15<=DDT<30 Severa Alta Alta 5<=DDT<15 Alta Alta Media DDT<5 Media Media Baja Tabla 2-2. Indicador de Exposición
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ÍNDICE A: USO DE LA ESTRUCTURA Clasificación de estructuras Usos de la estructura Valoración
A Teatros, centros educativos, iglesias, supermercados, centros comerciales, áreas deportivas al aire libre, parques de diversión, aeropuertos, hospitales, prisiones.
40
B Edificios de oficinas, hoteles, viviendas, grandes industrias, áreas deportivas cubiertas.
30
C Pequeñas y medinas industrias, museos, bibliotecas, sitios históricos y arqueológicos.
20
D Estructuras no habitadas. 0 Tabla 2-3. Uso de la Estructura
ÍNDICE B: TIPO DE ESTRUCTURA Tipo de estructura Valoración
No metálica 40 Mixta 20 Metálica 0
Tabla 2-4. Tipo de la Estructura
ÍNDICE C: ALTURA Y ÁREA DE LA ESTUCTURA Altura y área de la estructura Valoración
Área menor a 900m2 Altura menor a 25m 5 Altura mayor o igual a 25m 20 Área mayor o igual a 900m2 Altura menor a 25m 10 Altura mayor o igual a 25m 20
Tabla 2-5. Altura y área de la Estructura.
INDICADOR DE GRAVEDAD Resultado de la suma de
indicadores relacionados con la estructura (A+B+C)
Valoración
0 a 35 Leve 36 a 50 Baja 51 a 65 Media 66 a 80 Alta 81 a 100 Severa
Tabla 2-6. Indicador de Gravedad.
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El nivel de riesgo se obtiene de la ponderación de los índices de exposición y de gravedad; para este último se suman los valores obtenidos en los índices A, B y C. Al obtener la valoración del nivel de riesgo, podemos observar estos índices en una matriz que diferencia los niveles de riesgo según exposición y gravedad, Tabla 2-7.
GRAVEDAD EXPOSICIÓN
Severa Alta Media Baja Leve
Severa Alto Alto Alto Medio Medio Alta Alto Alto Medio Medio Bajo Media Alto Medio Medio Bajo Bajo Baja Medio Medio Bajo Bajo Bajo
Tabla 2-7. Matriz de Niveles de Riesgo
Según el nivel de riesgo se sugiere tomar las acciones presentadas en la Tabla 2-8.
NIVEL DE RIESGO ACCIONES RECOMENDADAS Sistemas de Protección Interno (SPI) Nivel de Riesgo Bajo Cableados y PT según NEC, IEEE 1100, IEC 364, IEC 61000-5-2 Sistemas de Protección Interno (SPI) Cableados y PT según NEC, IEEE 1100, IEC 364, IEC 61000-5-2 Nivel de Riesgo Medio Sistemas de Protección Externo (SPE) Sistemas de Protección Interno (SPI) Cableados y PT según NEC, IEEE 1100, IEC 364, IEC 61000-5-2 Sistemas de Protección Externo (SPE)
Nivel de Riesgo Alto
Plan de prevención y contingencia Tabla 2-8. Acciones Recomendadas según el Nivel de Riesgo
2.1.2.3.2 Componentes del sistema de protección externo (SPE) Los componentes del SPE deben cumplir con los siguientes requisitos:
• Terminales de captación o pararrayos. Cualquier elemento metálico de la edificación que se encuentre expuesto al impacto del rayo (antenas, torres de comunicaciones etc.), debe ser tratado como una terminal de captación.
• No se deben utilizar terminales de captación o pararrayos radiactivos. En la Tabla 2-9 se muestran las especificaciones de los pararrayos. Para las bajantes, que también hacen parte del sistema de protección externo (SPE), cada una de las bajantes debe terminar en un electrodo de puesta a tierra, estar separadas un mínimo de 10m y siempre buscar que se localicen en las partes externas de la edificación. Los requerimientos se presentan en la Tabla 2-10.
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Tipo y Material del Pararrayos
Diámetro mínimo (mm)
Espesor mínimo (mm)
Calibre mínimo (AWG)
Ancho (mm)
Cobre 9,6 no aplica no aplica no aplica Bronce 8 no aplica no aplica no aplica
VARILLA Acero 8 no aplica no aplica no aplica Cobre 7,2 no aplica 2 no aplica
CABLE Acero 8 no aplica no aplica no aplica Cobre 15,9 4 no aplica no aplica
TUBO Bronce 15,9 4 no aplica no aplica Cobre no aplica 4 no aplica 12,7 Acero no aplica 4 no aplica 12,7
LÁMINAS Hierro no aplica 5 no aplica 12,7 Tabla 2-9. Especificaciones de los Pararrayos
Calibre mínimo del Conductor de acuerdo con el material de este Altura de la
Estructura Número mínimo de Bajantes Cobre Aluminio
Menor que 25 m 2 2 AWG 1/0 AWG Mayor que 25 m 4 1/0 AWG 2/0 AWG
Tabla 2-10. Requerimientos para las Bajantes
2.1.3 Armónicos Los armónicos son oscilaciones de corriente o voltaje, múltiplos de la frecuencia fundamental que aparecen espontáneamente en presencia de cargas de comportamiento “no lineal”. Estas oscilaciones al combinarse con las ondas sinusoidales fundamentales las deforman. [5] Debe destacarse que el problema de armónicos es una situación de deformación de ondas, periódico, es decir permanente en el tiempo, a diferencia de los fenómenos transitorios, en los cuales se puede realizar el análisis de armónicos, circunscrito a una ventana de tiempo de observación.[6] En el caso de armónicas se observan ondas deformadas que se repiten en el tiempo y perduran mientras existe el problema. Antes las cargas no eran sensibles a problemas de armónicos. Con el tiempo estos problemas han ganado importancia, debido a distintas razones en las que se pueden destacar: [6]
• Incorporación de una mayor cantidad de equipos electrónicos conectados a la red. Esto afecta por dos razones, se incrementa las fuentes de generación de armónicos, y por otro lado existe una mayor cantidad de cargas sensibles al fenómeno.
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• Reducción de los márgenes de diseño de los equipos conectados a la red. En el caso por ejemplo de motores de inducción, los motores antiguos podían soportar efectos de calentamiento en mayor grado que los actuales.
• Mayor uso de cargas lumínicas de descarga gaseosa las cuales constituyen una fuente importante de generación de armónicas.
• Instalación de capacitores para mejorar el problema de la potencia reactiva. El
capacitor actúa como una reactancia Cj
X C ω1= , es decir, su reactancia
decrece con la frecuencia, incrementando la circulación de corriente. Un efecto aún mas importante es el de formarse circuitos resonantes entre estos capacitares y las reactancias del sistema que producen sobre tensiones y/o sobre corrientes.
• La incorporación de grandes cargas controladas por tiristores, como el caso de los motores de velocidad variables o de los compensadores estáticos de reactivos.
Las cargas generadoras de armónicas son principalmente: [5]
• Fuentes de poder conmutadas • Lámparas de descarga, luces con balastro electrónico • Convertidores de potencia AC a DC • Computadores y todo equipo basado en el uso de microprocesadores • Variadores de velocidad • Rectificadores en sistemas UPS
El efecto de los armónicos afecta a la red de diversas maneras: [6]
• Introducen desequilibrios de tensiones y corrientes, altas tensiones y corrientes en los neutros
• Producen sobre cargas sobre los distintos componentes, las cuales disminuyen la capacidad de transporte de las líneas, cables, transformadores, etc.
• Reducen la vida útil de los equipos, debido a la sobrecarga misma y la operación fuera del punto de diseño
• Sobre calentamiento de conductores • Producen una inapropiada operación de los equipos tales como falso disparo de
interruptores, falla en la operación de los réles, sobre carga en bancos de condensadores y/o daño total de estos.
• Bajo factor de potencia (elevado consumo de potencia reactiva) • Lecturas erróneas en equipos de medición electromecánicos y analógicos.
El efecto de los armónicos afecta a la misma u otras cargas de diversas maneras tales como: [5]
• Operación errática de equipo computarizado • Sobre calentamiento de equipos • Falla prematura de equipos • Quema prematura de motores
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2.1.4 Transientes de voltaje Los transientes son picos (pulsos unidireccionales) de voltaje que suceden en un período de tiempo muy corto, es decir es una perturbación destructiva de gran energía, alto voltaje y corta duración. [5], [10] Los transientes de voltaje caen dentro de la categoría de los Transitorios Electromagnéticos y pueden tener su origen en fenómenos como las descargas atmosféricas, cambios en la subestación o conmutación de bancos de condensadores al igual que las maniobras de sobre algún otro equipo de la red. [1] Todo cambio rápido o lento en las condiciones de operación de un sistema eléctrico, origina una redistribución de energía que debe satisfacer las nuevas condiciones del sistema. La redistribución de energía lleva asociado cambios súbitos en las señales de voltaje durante tiempos muy cortos. [1] Los transientes de voltaje pueden clasificarse, según su origen en externos o internos a la edificación. Los transientes externos a la edificación son debidos principalmente a: [5]
• Descargas atmosféricas • Maniobras de conmutación de las redes • Conmutación de bancos de condensadores del operador de red
Mientras que los transientes provenientes del interior de la edificación son causados por: [5]
• Arranque y paradas de equipos con grandes motores como aire acondicionado y elevadores
• Conmutación del banco de condesadores que se encuentran al interior de la edifiación
• Operación de equipos de soldadura • Operación de equipos de oficina como impresoras láser y fotocopiadoras
Los mas grandes problemas que causan los transientes son: [5]
• Destrucción completa del equipo electrónico sensible • Degradación progresiva de componentes electrónicos • Desconfiguración de equipos de control • Bloqueo de redes de datos • Parada no programada de un proceso
“Los daños producidos por transientes de voltaje se deben a que todos los componentes electrónicos, circuitos y aislamientos en un equipo eléctrico sufren daños por transientes de voltaje de la misma forma, mediante dos mecanismos físicos de trabajo, sobrecalentamiento y falla del aislamiento. Considerando una simple resistencia de alambre. Durante la actividad transitoria la corriente que fluye a través del alambre aumentará, produciendo más calor por efecto joule. Si el calor es suficiente para derretir el alambre, ocurrirá una degradación. Un poco
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más de calor y el alambre se vaporizará, destruyendo el componente. La falla por calentamiento, como esta, es común en fusibles, circuitos impresos, uniones de semiconductores y aún en bobinas de equipos eléctricos, pero, obviamente, en magnitudes de tensión, corriente y temperatura mucho mayores que en circuitos electrónicos. Además del calentamiento, la corriente que fluye causa una diferencia de potencial en los conductores. Si la diferencia de potencial es superior al nivel de aislamiento del elemento aislante (papel, laca, aceite, etc.), se producirá una disrupción o flameo, quedando el elemento aislante en condiciones de conductor. Esta forma de falla es común en uniones de semiconductores, capacidades, transformadores, y arrollamientos de motores.” [1] Las solución mas usada es la instalación de una red de supresores de transientes o TVSS (Transiente Voltaje Surge Supresor)
2.1.5 Ruido eléctrico El ruido eléctrico es un impulso repetitivo sobrepuesto en la onda senoidal de potencia, mas técnicamente conocido como interferencia electromagnética (EMI) e interferencia de frecuencia de radio (RFI). El ruido produce interferencias y errores en los programas ejecutables y archivos de datos. El ruido eléctrico es causado por muchos factores y fenómenos, incluso relámpagos, cambio de carga, generadores, transmisores de radio y equipos industriales. Puede ser intermitente o crónico. Algunos otros fenómenos que causan el ruido eléctrico son:
• Picos de voltaje: Son cambios rápidos de alta energía sobrepuestos en la línea de voltaje. Los picos pueden ser generados por estímulos inductivos al abrir o cerrar contactos de interruptores eventual o periódicamente. Son de corta duración, del orden de nanosegundos y microsegundos, lo cual contribuye a un efecto no medible en RMS. Aunque este evento parezca pequeño, sus consecuencias son devastadoras en componentes de computación y equipos electrónicos, por la alta energía que maneja.
• Ruido de modo común: Este tipo de ruido es más frecuente, debido a que es
provocado por otras cargas conectadas directamente a la misma instalación eléctrica, que no cuenta con tierra física adecuada o existen desbalances de cargas. Esto puede ocasionar que cuando se enciendan o apaguen cargas dentro de la misma línea, los picos y transientes de voltaje sean conducidos por el propio neutro o tierra física hasta los equipos electrónicos, ocasionando con esto daños considerables a sus inversiones. Por lo tanto, cuando se efectúa una instalación eléctrica es necesario tomar en cuenta la colocación de la tierra física con las adecuadas especificaciones y que no se una con el neutro.
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• Ruido de modo normal: El ruido de modo normal es provocado básicamente por encendidos y apagados de cargas en la red eléctrica con el que se crean fuertes picos y transitorios de voltaje.
Los transientes y armónicos, tratados anteriormente, también hacen parte o pueden ser catalogados como ruido eléctrico. El ruido eléctrico tiene los siguientes efectos:
• Errores en la información • Bloqueo de computadoras • Comandos erróneos en el sistema
2.1.6 Variaciones de tensión Las variaciones típicas de voltaje son las siguientes:
• Voltajes constantes altos • Voltajes constantes bajos • Descensos de voltaje de corta duración (SAGS) • Subidas de voltaje de corta duración (SWELLS) • "Parpadeo" o flicker de tensión
Estas distorsiones ocasionan el mal funcionamiento del equipo electrónico. La exposición recurrente a estos problemas definitivamente les reduce el tiempo de vida útil. Estos problemas se pueden prevenir o solucionar así:
• Instalaciones dedicadas para equipo electrónico especial con sus correspondientes instalaciones de Back up
• Un sistema de conexión a tierra con un buen diseño y mantenimiento. • Instalación de eliminadores de sobretensión para protección de áreas claves. • Sistemas de Filtros para complementar todas las acciones anteriores
2.1.6.1 Voltajes constantes altos Son voltajes superiores al nominal durante periodos superiores a los 2 segundos. Causan daños permanentes en los equipos electrónicos. Por lo general son causados por una pobre regulación de línea por la empresa distribuidora, también debido a un mal ajuste en el voltaje interno de los reguladores o por cargas más livianas que lo que se esperaba en la línea. Esto puede causar daños prematuros en los equipos debido a esfuerzos adicionales sobre sus componentes.
2.1.6.2 Voltajes constantes bajos Causan daños permanentes en los equipos electrónicos. Es una condición donde a largo plazo el valor del voltaje RMS se encuentra por debajo de los valores de voltaje
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recomendados para servicio; un voltaje bajo crónico puede causar comportamiento errático en quipos o en el rendimiento del sistema.
2.1.6.3 Descensos de voltaje de corta duración (SAGS) [1] Los descensos o bajadas de voltaje son niveles de voltaje más bajos que el nominal durante periodos menores o iguales a 2 s. La disminución del voltaje puede ocurrir como consecuencia de:
• Cargas grandes tales como motores o soldadoras eléctricas que estén en el mismo circuito
• Caída total del voltaje de los buses en el circuito de distribución del suministro eléctrico, por arranque de motores
• O fallas eléctricas en circuitos alimentados desde la misma fuente.
2.1.6.4 Subidas de voltaje de corta duración (SWELLS) [1] Es el voltaje, en estado estable, generado con una amplitud mayor de los límites establecidos. Usualmente son el resultado de inadecuadas prácticas de regulación.
2.1.7 Apagones [1] Un apagón o interrupción es una pérdida completa del voltaje, causada generalmente por una falla en el sistema de distribución debido a la operación de interruptores o fusible. Estas pueden ser de naturaleza permanente o transitoria.
2.1.7.1 Prolongadas Las interrupciones prolongadas son el tipo más reconocible de perturbación. Se presentan ordinariamente como resultado de fallas eléctricas permanentes. El suministrador de energía eléctrica diseña los sistemas de transmisión o distribución eléctrica de tal forma que anule las fallas permanentes, y las interrupciones prolongadas resultantes afecten al área más pequeña posible.
2.1.7.2 Momentáneas Las interrupciones momentáneas son pérdidas temporales totales del voltaje y las origina a menudo la operación de los dispositivos automáticos de protección por sobrecorriente. Muchas fallas eléctricas que ocurren en los circuitos de distribución son de naturaleza temporal, como por ejemplo una rama de árbol que cae sobre una línea, las líneas que se juntan por acción del viento, etc.
2.2 CARGAS NO LINEALES
2.2.1 Definición Una carga no lineal es aquella en la cual la corriente no es proporcional al voltaje aplicado.
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Las cargas no lineales pueden clasificarse, básicamente, en tres categorías; a continuación se presenta una lista con las más importantes.
• Basadas en arcos y descargas eléctricas o Lámparas de descarga
� Fluorescentes � Ahorradoras de energía � Neón � Vapores de sodio � Vapores de mercurio
o Soldadores de arco o Hornos de arco
• Basadas en inductancias saturables o Transformadores o Motores o Reactancias para limitar arcos de descarga
• Electrónicas o Rectificadores para cargas resistivas e inductivas o Fuentes de alimentación en
� Aparatos electrónicos domésticos � Aparatos electrónicos de oficina � Variadores de frecuencia � Sistemas de alimentación ininterrumpida � Lámparas electrónicas
o Reguladores y recortadores � Variación de velocidad en pequeños motores � Ahorradores de energía para motores � Reguladores de luz � Compensadores estaticos de energía reactiva (SVC, TCR) � Regualadores para dispositivos de caldeo
o Cargadores de baterias o Cicloconvertidores o Convertidores continua-alterna sobre la red
� Accionamientos de recuperación de energía � Cascadas hiposicronas � Transmisión de energía en corriente continua
2.2.2 Descripción [11] • Equipo de arco: hornos de arco y soldadores de arco tienen una característica de
carga variante durante cada medio ciclo el cual demanda corrientes armónicas del sistema de suministro. Normalmente estas no causan muchos problemas a menos que los conductores de suministro se encuentren cerca de los circuitos de comunicación y control o si hay grandes bancos de condensadores en el sistema.
• Lámparas de descarga: Lámparas fluorescentes y de mercurio producen pequeños arcos y en combinación con los balastos, producen armónicos, particularmente el tercero. La experiencia muestra que la corriente del tercer
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armónico puede ser tan alta como hasta el 30 por ciento de la fundamental en los conductores de fase y superior al 90 por ciento en el neutro donde los terceros armónicos de cada fase se suman directamente desde que ellos están desplazados un tercio de un ciclo.
• Rectificadores. Rectificadores de media onda los cuales suprimen medio ciclos
alternantes genera corrientes armónicas pares e impares. Rectificadores de onda completa tienden a eliminar los armónicos pares y usualmente disminuyen la magnitud de los armónicos impares. El mayor productor de armónicos es el rectificador controlado el cual corta la onda de corriente alternante, particularmente cerca del pico del ciclo. Desde que la forma de la onda de entrada y salida desde ahora la frecuencia y la magnitud de los armónicos variaran los ajustes del control. Rectificadores controlados por fase usados para suministrar a los drives variadores de velocidad a los motores de corriente directa, o usados como variadores de frecuencia para suministrar a los drives variadores de velocidad para motores de corriente alterna, son la mayor fuente de armónicos.
• Maquinas rotantes: Normalmente los cables de tres fases de los motores y
generadores son suficientemente simétricos que cualquier voltaje armónico generado por la falta de simetría son demasiado pequeños para causar alguna interferencia. La característica no lineal del estator de hierro puede producir armónicos apreciables, especialmente a altas densidades de flujo.
• Calentadores de inducción: Calentadores de inducción usados a 60 Hz o a
mayores frecuencias para inducir corrientes circulantes en los metales para calentar el metal. Armónicos son generados por la interacción de los campos magnéticos causados por la corriente en el cable de inducción de calentamiento y las corrientes circulantes en el metal que esta siendo calentado. Grandes hornos de calentamiento pueden crear armónicos desagadables.
• Condensadores: Condensadores no generan armónicos. Sin embargo, la
reactancia reducida del condensador a altas frecuencias amplifica la corriente armónica en el circuito que contiene los condensadores. En casos de resonancia, esta magnificación puede ser bastante grande. Grandes corrientes de armónicos pueden sobre calentar los bancos de condensadores. Además, las grandes corrientes pueden producir interferencia con los circuitos de comunicación y control.
2.3 ESQUEMAS DE PROTECCION EN REDES DE BAJA TENSION [12]
La función de los esquemas de protección es la de detectar fallas en el sistema y “desconectar” las partes del sistema que están o han fallado. También deben limitar las sobrecorrientes y los efectos de arco que se presenten en el sistema debido a las fallas. La obtención de estos objetivos, requiere la coordinación de los dispositivos de protección en su trabajo para:
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• Gestionar la seguridad y alargar la vida de la instalación por limitación de esfuerzos.
• Asegurar la disponibilidad eliminando el defecto inmediatamente aguas arriba del dispositivo.
Los objetivos de la coordinación entre dispositivos de protección son:
• La selectividad. • La filiación.
2.3.1 Selectividad La selectividad consiste en asegurar la coordinación entre las características de funcionamiento de los dispositivos de protección colocados en serie, de tal manera que en caso de defecto aguas abajo solo dispara el aparato situado inmediatamente aguas arriba. Se define una intensidad Is de selectividad tal que:
• Idefecto > Is: los dos dispositivos se disparan. • Idefecto < Is: solo D2 elimina el defecto.
Figura 2-1 Concepto de selectividad La calidad de la selectividad: El valor Is debe ser comparado con el valor lcc (D2) presunto en el punto D2 de la instalación.
• Selectividad total: Is > Icc(D2); la selectividad se considera total, es decir, para cualquier valor de intensidad de defecto D2 solo lo elimina.
• Selectividad parcial: Is < Icc(D2); la selectividad se considera parcial, es decir, hasta Is, solo D2 elimina el defecto. Por encima de Is, D1 y D2 abren.
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2.3.2 Filiación La filiación “refuerza” el poder de corte de los dispositivos de protección situados aguas abajo de otros dispositivos. La filiación permite utilizar un elemento de poder de corte inferior a la corriente de cortocircuito calculada en ese punto de la instalación. La filiación:
• Concierne a todos los aparatos instalados aguas debajo de un elemento de protección.
• Puede ser extendida a varios dispositivos consecutivos, incluso si se utilizan en diferentes cuadros.
Las normas de instalación (IEC 60364 o locales) imponen que el aparato situado aguas arriba tenga un poder de corte Icu superior o igual a la corriente de cortocircuito asumida en ese punto de la instalación. Para los dispositivos situados aguas abajo, el poder de corte Icu a considerar es el poder de corte reforzado por la coordinación. En la Figura 2-2, se presenta una explicación gráfica del concepto de filiación. Por ejemplo, tan pronto como los dos interruptores disparan (a partir del punto IB), una tensión de arco UAD1 en la separación de los contactos de D1 se suma a la tensión UAD2 y ayuda por limitación complementaria al interruptor D2 a abrir. De hecho, de acuerdo a las recomendaciones de la IEC 60947-2, los fabricantes dan y garantizan directamente la Icu reforzada por la asociación formada por D1 + D2.
.
Figura 2-2 Explicación gráfica del concepto de filiación Un ejemplo claro de las ventajas de la filiación en un esquema de protecciones es la instalación de un solo interruptor limitador, esto produce importantes simplificaciones y ahorros en toda la instalación aguas abajo, como se ve en la :
• Simplificación en la elección de los aparatos por las tablas de filiación. • Ahorro en los aparatos aguas abajo. La limitación permite utilizar interruptores de
comportamiento estándar.
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La filiación y la selectividad deben ser verificadas por ensayos en los puntos críticos. La selectividad y la filiación sólo pueden ser garantizadas por el fabricante que recoja sus ensayos en tablas.
Figura 2-3 Ventajas de la filiación
Figura 2-4 Filiación (izquierda) y selectividad (derecha)
2.3.3 Protección contra sobreintensidades Todo circuito estará protegido contra los efectos de las sobreintensidades que puedan presentarse en el mismo, para lo cual la interrupción de este circuito se realizará en un tiempo conveniente o estará dimensionado para las sobreintensidades previsibles. Las sobreintensidades pueden estar motivadas por:
• Sobrecargas debidas a los aparatos de utilización o defectos de aislamiento de gran impedancia.
• Cortocircuitos.
Excepto los conductores de protección, todos los conductores que forman parte de un circuito, incluyendo el conductor neutro o compensador, estarán protegidos contra los efectos de las sobreintensidades.
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2.3.4 Protección contra sobrecargas Las sobrecargas no son perjudiciales, siempre que su duración no permita que se alcancen temperaturas inadmisibles. Para una correcta utilización de los circuitos, no deben producirse desconexiones indebidas. Esto implica que el dispositivo de protección contra sobrecargas debe ser de tiempo-dependiente o característica térmica. Normalmente, el dispositivo mide el calentamiento “indirectamente” mediante el control de la intensidad que recorre el circuito. Para la aplicación correcta de este sistema, se requiere conocer la “imagen térmica” (curva tiempo-corriente admisible) del aparato que hay que proteger, lo que sucede pocas veces. Si se conoce esta característica, se debe elegir la protección teniendo en cuenta lo indicado en la Figura 2-5 .
Figura 2-5 Protección contra sobrecargas Cuando no se conoce la curva de imagen térmica, la aplicación de relés térmicos suele ser suficiente. En este caso, para una buena elección del relé deben tenerse en cuenta, entre otras: las características de arranque de la máquina (corriente, duración y frecuencia), la temperatura ambiente (de la máquina y del relé de protección), etc. El elemento básico de un relé térmico de sobrecarga es una lámina bimetálica, es decir, constituida por dos metales de diferente coeficiente de dilatación y calentada por la corriente que atraviesa el circuito principal; este calentamiento puede ser:
• Directo, si por la bilámina pasa toda la corriente del circuito. • Indirecto, si la corriente pasa por un arrollamiento calefactor que rodea la bilámina.
En la lámina bimetálica, por ser diferente el coeficiente de dilatación térmica de ambos metales, al aumentar la temperatura éstos sufren un alargamiento, que será diferente en ambos. Al estar soldados por sus extremos, el metal cuyo coeficiente de dilatación sea mayor se curvará sobre el otro. Si esta bilámina, al llegar en su curvatura a un punto
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determinado, acciona algún mecanismo, abre un contacto o actúa sobre cualquier otro dispositivo solidario con el mecanismo de disparo de un interruptor automático, como la bobina de un contactor, etc., se puede conseguir la desconexión de dicho interruptor. También como dispositivos de protección contra sobrecargas son utilizados los fusibles calibrados de características de funcionamiento adecuadas o los interruptores automáticos con curva térmica de corte.
2.3.5 Protección contra cortocircuito En el origen de todo circuito se establecerá un dispositivo de protección contra cortocircuitos cuya capacidad de corte estará de acuerdo con la intensidad de cortocircuito que pueda presentarse en el punto de su instalación. Se admite, no obstante, que cuando se trate de circuitos derivados de uno principal, cada uno de estos circuitos derivados disponga de protección contra sobrecargas, mientras que un solo dispositivo general pueda asegurar la protección contra cortocircuitos para todos los circuitos derivados. Las corrientes de cortocircuito, a consecuencia del elevado valor que suelen alcanzar, ocasionan un rápido calentamiento de los conductores por los que circulan. La interrupción de estas corrientes debe realizarse en el menor tiempo posible. Algunos de los daños que pueden producir estas corrientes son:
• Envejecimiento. • Carbonización o inflamación de los aislamientos. • Fusión de los conductores. • Disminución de las características mecánicas de las partes conductoras o
metálicas adyacentes (resortes, etc.). Los dispositivos de protección contra cortocircuitos deben ser instantáneos (también llamados de «tiempo-independiente») y han de actuar sobre equipos capaces de abrir el circuito en presencia de estas corrientes elevadas. El medio más utilizado para la protección de cortocircuitos es el interruptor de potencia. Con el objetivo de cumplir adecuadamente sus misiones de mando y protección, los interruptores de potencia suelen estar provistos de toda una serie de mecanismos y dispositivos de desenganche o desconexión, como se menciona posteriormente. También se admiten como dispositivos de protección contra cortocircuitos los fusibles de características de funcionamiento adecuadas y los interruptores automáticos con sistema de corte electromagnético.
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2.3.6 Dispositivos de protección para redes de baja tensión [15][16]
2.3.6.1 Cortacircuitos fusibles o Fusibles de alta capacidad Estos elementos de protección se denominan, más sencillamente, fusibles. El vocabulario electrotécnico internacional define estos conceptos de la siguiente manera:
• Cortacircuito: Aparato que corta automáticamente un circuito cuando la corriente alcanza un determinado valor.
• Cortacircuito fusible: Cortacircuito en el que el circuito queda cortado por la fusión de un elemento apropiado.
• Fusible: Parte de un cortacircuito que está destinado a fundirse en condiciones predeterminadas y a provocar con ello la ruptura de un circuito.
Según estas definiciones, el cortacircuito fusible está constituido por el fusible, o elemento destinado a fundirse propiamente dicho, más los elementos aislantes, mecánicos, etc., que lo soportan. El fusible consiste esencialmente en un alambre o tira metálica insertos en el circuito de corriente que, al rebasarse una determinada intensidad, se funden, provocando la desconexión. Antes de que la corriente haya alcanzado el valor previsto de cortocircuito Ip el fusible corta el circuito en un tiempo t (véase Figura 2-6). La corriente aumenta de valor durante un tiempo t1 (tiempo de prearco). Al cabo del tiempo t1, el elemento fusible está en estado de fusión, este fenómeno resulta irreversible. Se forma en el interior del fusible un arco que se extingue en un tiempo t2 (tiempo de arco). El tiempo total de funcionamiento del fusible es t = t1 + t2. Como se ve en la Figura 2-6, en el tiempo t la intensidad no alcanza el valor de cresta Ip de la corriente de corto circuito. El valor Icc de la corriente cortada se denomina corriente de limitación.
Figura 2-6 Zona de funcionamiento de un fusible
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Los fusibles pueden ser rápidos o lentos. En los lentos se retrasa notablemente la desconexión recurriendo a artificios especiales (por ejemplo, insertando puntos gruesos de soldadura en el alambre fusible). Un fusible rápido desconecta bajo una corriente de 5 veces la nominal aproximadamente en 0.1 s, mientras que un fusible lento no lo hace hasta que ha transcurrido 1 s. Los fusibles de baja tensión deben ser de alta capacidad, es decir, que su capacidad de interrupción debe ser alta. Se emplean para proteger instalaciones de maniobra y redes de cables contra sobrecargas y cortocircuitos. Existen para diferentes tensiones nominales 500 V y 440 V (para corrientes comprendidas entre 6A y 1000A). Para tensiones mayores se pueden emplear otros fusibles especiales con características lentas, como para 1200 V. En redes radiales se protegen las derivaciones y en las enmalladas los cables. También son apropiados para proteger circuitos en los que durante el servicio se producen sobrecargas de poca duración, como ocurre, en el arranque de motores trifásicos. Las sobrecorrientes de breve duración pueden fluir a través del fusible sin modificar sus características. A través de éstos puede pasar una corriente de 1.15 veces mayor que la nominal.
2.3.6.2 Interruptores y relés
• Interruptores con relés de sobreintensidad. Estos son interruptores de potencia y guardamotores con una capacidad de ruptura suficiente para soportar las solicitaciones que se establecen al conectar y desconectar medios de servicio y partes de la instalación en estado normal o de perturbación, especialmente bajo las condiciones de cortocircuito. La capacidad de ruptura de los interruptores de protección (valor eficaz Capacidad en kA, a un determinado cos�) es diferente para las distintas intensidades nominales. Cuanto menor sea la intensidad nominal del interruptor, tanto menor será generalmente la capacidad de ruptura del mismo. En determinados casos hay que prever fusibles preconectados para proteger los interruptores contra cortocircuitos. Respecto a los fusibles adecuados hay que considerar los datos del fabricante. El objetivo principal de los interruptores de protección provistos de relés de sobreintensidad consiste en proteger las partes de la instalación correspondientes contra sobrecargas y cortocircuitos. Para la protección contra sobrecargas, los interruptores pueden equiparse de relés de sobreintensidad con retardo térmico, principalmente relés bimetálicos. La corriente de reacción de los relés se puede ajustar dentro de cierto margen. Para la protección contra cortocircuitos, los interruptores se equipan de relés electromagnéticos de sobreintensidad. Entre éstos existen tipos ajustables o de ajuste fijo sin retardo, y otros ajustables con retardo breve. Los relés sin retardo se denominan también rápidos.
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En los interruptores con limitación de la corriente, se aprovechan las fuerzas electrodinámicas originadas en caso de cortocircuito para separar rápidamente los contactos, lográndose de esta forma un tiempo total de ruptura muy breve, que se compone del tiempo de disparó, el propio y el de duración del arco. El tiempo total de ruptura de los interruptores de protección es de unos 10 ms en caso de desconexión del cortocircuito por separación electrodinámica de los contactos, y entre 10 ms y 30 ms según el tipo de interruptor y la intensidad nominal, cuando el cortocircuito se interrumpe por la acción de los relés electromagnéticos de intensidad no retardados. Los interruptores de protección provistos de relés electromagnéticos de sobreintensidad pueden proveerse de un denominado bloqueo de cortocircuitos que, después de producirse el disparo, impide la reconexión al cortocircuito existente.
• Interruptores sin limitación de corriente.� A la misma intensidad nominal en caso de cortocircuito, la capacidad de ruptura de los interruptores de protección sin limitación de corriente es inferior a la de los que disponen de ella. Si la intensidad de la corriente de cortocircuito en el punto de montaje es superior a la capacidad de ruptura del interruptor, hay que proteger el interruptor mediante fusibles preconectados. La conexión en serie de fusibles preconectados e interruptores de protección se denomina también elemento combinado como se muestra en la Figura 2-7.
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Figura 2-7 Elemento combinado, fusible e interruptor
• Interruptores con limitación de corriente� Fundamentalmente los interruptores de protección con limitación de la corriente no son selectivos entre si. (Como recurso se pueden emplear adicionalmente relés para interrumpir y volver a conectar los interruptores de protección antepuestos). En estos interruptores la corriente de cortocircuito se interrumpe antes de de alcanzar el valor de cresta, quedando así limitada.
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• Interruptores selectivos� Los interruptores selectivos no limitan la corriente, sino que por ellos fluye el impulso total de la corriente de cortocircuito Is, y están diseñados de tal forma que soportan, en estado de cierre, las solicitaciones electrodinámicas y térmicas que se establecen en caso de cortocircuito.
2.3.6.3 Empleo de los interruptores Como la intensidad de la corriente de cortocircuito alcanza su valor mínimo en el receptor y aumenta hacia la fuente de energía por disminuir la impedancia de los cables, la intensidad máxima de la corriente de cortocircuito se establece en el interruptor de alimentación. Si las derivaciones se abastecen mediante dos o más acometidas paralelas, la intensidad máxima de la corriente de cortocircuito se establece directamente en las barras colectoras, es decir, en los interruptores de distribución. En la Figura 2-8 se muestra las cuatro clases de empleo de los interruptores.
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Figura 2-8 Clases de empleo de los interruptores: 1. De receptores 2. De distribución 3. De acoplamiento 4. De alimentación
• Interruptores de alimentación: En la acometida se utilizan interruptores selectivos, puesto que tienen que trabajar en concordancia con los órganos de protección conectados en serie.
• Interruptores de acoplamiento: Para el acoplamiento se utilizan preferiblemente interruptores selectivos, que, en lo posible, no disparen al producirse defectos en las subdistribuciones. Los interruptores y relés se eligen según: el número de transformadores paralelos y las condiciones de servicio (por ejemplo, en caso de
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fallar un transformador, permanece en servicio la parte correspondiente a las barras).
• Interruptores de distribución: Para distribución se utilizan interruptores selectivos principalmente en instalaciones con varias acometidas. En los interruptores de baja intensidad nominal hay que tener especial cuidado de que sea suficiente la capacidad de ruptura. Los interruptores de distribución han de trabajar de forma selectiva con los órganos de protección posconectados, es decir que no se deben disparar al producirse defectos por detrás de un órgano de protección posconectado
• Con el fin de que pueda fluir la corriente de cortocircuito a través de los interruptores de distribución durante el tiempo de retardo, tienen que estar estos dimensionados para una elevada resistencia dinámica y térmica a los cortocircuitos.
• Interruptores de receptores: Estos interruptores constituyen en una instalación los últimos aparatos de maniobra y protección para los receptores de todo tipo y principalmente motores. Se encargan de proteger los receptores contra sobrecargas y cortocircuitos. Para receptores se pueden utilizar interruptores de protección con o sin limitación de la corriente. Se prefieren los primeros cuando en el punto de montaje se establecen corrientes de cortocircuito de gran intensidad.
2.3.7 Dispositivos de protección para la calidad de la potencia [14] El concepto de protección implica prevención en un ambiente hostil que puede afectar equipos sensibles. La protección de los equipos sensibles a ese ambiente es la meta de la tecnología de compatibilidad electromagnética (EMC). Estos temas se puede hacen referencia las normas IEEE Std 519-1992 y IEEE Std C62.41-1991. Un aspecto a tener en cuenta en las estrategias de protecciones es la tasa de cambio de voltaje, esta tasa de cambio es importante en dos aspectos:
• Una tasa de cambio rápida tiene una mayor capacidad de producir una perturbación en circuitos adyacentes por capacitancia y acoplamiento inductivo.
• Una tasa de cambio lenta puede hacer ineficaz un dispositivo de protección, que puede ser una inductancia en serie a la línea de poder.
Para efectos de calidad de la potencia eléctrica se tienen dispositivos de protección para cada problema que hace referencia el tema, a continuación se describen los elementos de protección necesarios en sistemas eléctricos de edificios corporativos.
2.3.7.1 Transformador de aislamiento Los transformadores de aislamiento son uno de los dispositivos de protección ampliamente usados. La Figura 2-9 muestra la configuración de un transformador de aislamiento.
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Figura 2-9 Configuración de un transformador de aislamiento
Estos transformadores tienen varias funciones: tienen la habilidad de transformar o cambiar la entrada al nivel de voltaje de rendimiento, típicamente de 480 V se transforma a 120 V o 208 V (aunque su relación de voltaje puede ser 1:1). Otra función de los T.A es establecer la referencia a tierra cerca del punto de uso, esto reduce enormemente el problema de ruido de modo común inducido a través de las “mallas de tierra” o voltaje neutro tierra. Estos dispositivos pasivos introducen corriente mínima de distorsión hacia la fuente de entrada. Además, pueden reducir las corrientes armónicas (correspondientes a la secuencia cero), retroalimentadas a la fuente a través de cargas no lineales trifásicas. Para que los transformadores de aislamiento funcionen adecuadamente, deben equiparse con escudos electrostáticos entre los bobinados del primario y del secundario como se muestran en la Figura 18.
Figura 2-10 Escudo de transformador de aislamiento Un escudo electrostático es una hoja conductora de material no magnético (cobre o aluminio) conectado a tierra, esto reduce el efecto capacitivo del interbobinado que acopla los bobinados del primario con los del secundario y mejora la habilidad del transformador para aislar la carga del ruido de modo común. Los transformadores de aislamiento no proporcionan ninguna regulación de voltaje de línea y pueden causar degradación de regulación de voltaje debido a sus impedancias en serie, tienden a ser eficaces entre el 95 y 98%, pueden instalarse por separado o con circuitos protectores de distribución, estos tienen la ventaja de que están cerca de la carga.
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El transformador que se instale deberá ser apto para el manejo de cargas no lineales, es decir que tengan manejo de temperatura por aumento de perdidas esto se especifica con el factor K. Deberá tener apantallamiento, deberán ser secos en configuración Delta-Y, conexión DY5. Deberán tener certificado de calidad ISO 9000, UL o equivalente. El factor K relaciona la capacidad del transformador para servir diferentes grados de cargas no lineales sin exceder los límites de temperatura. Para una carga lineal el factor K siempre es uno (en por unidad), para cargas no lineales, si las componentes de corrientes armónicas son conocidas, el factor K puede calcularse y ser comparado con el factor K que está impreso en la placa del transformador, desde que el factor K calculado no exceda el de la placa, este está operando de acuerdo con los requisitos del NEC.
2.3.7.2 Supresores de transientes (TVSS) Los transientes están relacionados con los fenómenos de sobretensiones y subtensiones con efectos de amortiguamiento, con valores pico equivalentes a 2 o más veces el valor RMS, producidos por sobretensiones externas, maniobra de interruptores de potencia, suicheo en correctores de factor de potencia, cargas de motores, compresores, etc. Por ejemplo, una fotocopiadora puede llegar a generar una sobretensión de hasta 1.000 V al operar. En este tópico podemos resaltar los transientes asociados con fenómenos externos, tales como las descargas eléctricas propias de los fenómenos atmosféricos, en las cuales se alcanzan niveles de tensión del orden de los 6KV, asociados con corrientes de 3 KA, con pendientes de crecimiento representativas y tiempos de alcance del valor pico de la onda de 1.2ms con duraciones totales de 50ms. En cuanto a los transientes ocasionados por fenómenos internos, estos se presentan con valores pico de 6KV, asociados con corrientes de 500 A, tiempos de crecimiento de 0.5ms y periodos de onda amortiguada de 100 ms, inherentes a frecuencias del orden de los 100kHz. En algunos casos las sobretensiones producen un bloqueo del sistema o una perdida de información en un sistema computacional. En muchos casos las sobretensiones llegan a destruir el Hardware por completo, por lo cual eliminarlas se hace esencial para una operación fiable de los equipos. Para eliminar o detener estas sobretensiones existen los "Supresores de Transientes" cuya característica principal es la velocidad de respuesta (reacción) frente a estos transientes. La selección y uso de estos dispositivos para la adecuada protección de las cargas criticas, esta descrita en la Norma ANSI/IEEE C62.41 (anteriormente llamada IEEE 587), usando datos recolectados durante muchos años, este estándar describe el tipo, magnitud
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y frecuencia de los sobrevoltajes, la cual se describe mas abajo. Por su naturaleza, los elementos componentes de un supresor de transientes son de alta impedancia y quedan finalmente conectados en paralelo a la carga a proteger, por lo que tanto la corriente de esta como la capacidad de potencia del tablero protegido no tienen relación directa con la selección del equipo en cuestión, la que en realidad depende de la actividad transitoria existente y de la ubicación del tablero a proteger dentro del sistema eléctrico existente. ANSI/IEEE C62.41 define las formas de onda estándar de sobrevoltajes, las cuales representan los peores eventos que pueden esperarse, y recomienda que los equipos sean diseñados para soportar la aplicación de estas formas de onda de prueba. Por ejemplo, el supresor de transientes de voltaje, 4 hilos en estrella, homologado UL, con tecnología de seguimiento de la onda de voltaje a 60 Hz ("Sine Wave Tracking"), unidades de supresión fase-tierra y fase-fase del tipo intercambiables en campo, protegidas mediante fusibles igualmente reemplazables, con un tiempo de respuesta menor que 5 ns e indicadores tipo "led" de estado de funcionamiento para cada unidad de supresión. El supresor se deberá conectar al barraje de fases del tablero mediante interruptor termomagnético trifásico, cuya capacidad nominal deberá ser definida por el fabricante del supresor y con capacidad de cortocircuito escogida teniendo en cuenta la capacidad de cortocircuito del sitio de instalación del tablero. La característica de protección del interruptor se deberá coordinar con el totalizador del tablero y los fusibles internos, de tal forma que por falla en algún componente del supresor actúe en primera instancia el fusible, como respaldo el interruptor termomagnético y en última instancia el totalizador del tablero. Adicionalmente, con este interruptor se aislará el supresor para labores de mantenimiento. El supresor deberá instalarse de tal manera que las longitudes de los cables de conexión sean mínimas. Estas se deberán realizar con cable de cobre no menor que No. 2 AWG, THW 600 V. La instalación del supresor en el tablero deberá permitir la visualización de las indicaciones sin necesidad de abrir la puerta del tablero. El reemplazo de cualquier fusible o unidad de supresión se deberá realizar sin sacar de servicio el tablero y estas operaciones no deberán afectar las cargas conectadas al tablero.
2.3.7.3 Protección al ruido, elevaciones y sags El ruido se entiende como una perturbación de baja amplitud, un pequeño fragmento del voltaje del sistema, mientras una elevación se entiende como una perturbación de fragmento más grande o un múltiplo del voltaje del sistema. El límite entre estos dos fenómenos no es claro. Los efectos del ruido son más notables en el dominio de la frecuencia. En los siguientes documentos se pueden encontrar prácticas recomendadas para la reducción de ruido: IEEE Std 518-1982, Morrison [B17], y Ott [B18]. Las elevaciones tienen muchos efectos sobre los equipos y pueden ocasionar daños de componentes. Para lograr un desarrollo normal del equipo existen 3 alternativas:
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erradicar las causas de las elevaciones, adquiriendo un equipo que sea inmune a cualquier nivel de elevaciones o encontrar la mejor solución económica. Para mas información de protecciones a elevaciones, se puede consultar la norma IEEE Std C 64-41 de 1991. La protección a los sags consiste en proporcionar alguna fuente de energía para reemplazar momentáneamente la pérdida de entrada de potencia. Se puede consultar las normas IEEE Std 446-1995 y IEEE Std 1346 – 1998. Existen dos dispositivos de protección para reducir el ruido, estos son:
• Transformador de aislamiento con doble o triple blindaje para reducir el ruido de modo común.
• Filtros EM/RFI para reducir el ruido de modo normal, esta protección es recomendable para centros de cómputo.
2.3.7.4 Protección contra armónicos Dentro de los dispositivos de protección para proteger las cargas a los efectos de los armónicos, se encuentran:
• Transformador de aislamiento (Norma IEEE Std. 1100). • Filtros (Norma IEEE Std. 519)
Algunas recomendaciones para eliminar armónicos son:
• Suprimir posibles fuentes de armónicos. • Dimensionar los conductores considerando armónicos • Disminuir las corrientes que van por el neutro, mediante balance de cargas. • Utilizar tableros separados para equipos sensibles. • Usar transformadores tipo K.
2.3.7.5 Protección contra fluctuaciones de voltaje La solución más eficaz contra las fluctuaciones de voltaje es la instalación de reguladores dependiendo del ambiente, sin embargo, se pueden tener en cuenta las siguientes recomendaciones:
• Instalar estabilizadores electrónicos o magnéticos de reactancia saturable. • Conectar condensadores en serie, aumentando así, artificialmente la potencia de
cortocircuito. • Evitar la simultaneidad de pulsaciones de las máquinas de soldadura con circuitos
de control ademados.
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2.3.7.6 Protección contra interrupciones Las interrupciones ocasionadas por diversas causas, pueden ser manejadas utilizando un sistema ininterrumpido de potencia (UPS) o contar con una planta de emergencia, en la Norma IEEE Std. 1100 se encuentra información y recomendaciones con respecto a las UPS. En el mercado se pueden encontrar las siguientes tecnologías de UPS:
• Standby (off line) sin regulación. • Standby (off line) con regulación. • Conversión sencilla. • Conversión doble.
La selección de la UPS se hace teniendo en cuenta las necesidades del usuario y la disponibilidad económica.
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3 METODOLOGÍA
3.1 GUÍA GENERAL DE UN PROCEDIMIENTO DE INSPECCIÓN PARA EL LEVANTAMIENTO DE UN ESQUEMA DE PROTECCIÓN
La metodología propuesta para el análisis de esquemas de protección en el sector
industrial, consiste en una serie de pasos por medio de los cuales se pretende cumplir los objetivos específicos de cada una de las tres etapas principales: primera etapa: estudio preliminar, segunda etapa: estudio técnico preliminar y tercera etapa: estudio técnico. En cada etapa se encuentran distintas sub etapas específicas, que están estructuradas para llevar un orden secuencial en el desarrollo sistemático de la metodología.
La guía general para el levantamiento de un procedimiento de inspección se puede
ver en la Figura 3-1. Esta guía consta de tres etapas principales: Estudio preliminar, estudio técnico preliminar y estudio técnico; en la Figura 3-2 se puede apreciar un diagrama de bloques mas detallado donde se presentan las tareas básicas de cada una de las etapas del estudio. Dentro de las distintas etapas se usa distintas herramientas computacionales, que se pueden ver detalladas en la Figura 3-3, las herramientas para las distintas etapas son sugeridas, ya que se pueden usar otros programas que realicen las mismas funciones.
Figura 3-1 Diagrama de bloques básico
Primera etapa:
Estudio preliminar
Segunda etapa:
Estudio técnico preliminar
Tercera etapa:
Estudio técnico
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Figura 3-2 Diagrama de bloques específico
Primera etapa: Estudio preliminar
Segunda etapa: Estudio técnico preliminar
Tercera etapa: Estudio técnico
Visualizar e inspeccionar el sitio
Realizar encuesta
Presentar informe preliminar
Obtener diagrama unifilar
Realizar flujo de carga
Realizar estudio de corto circuito
Realizar estudio de armónicos
Identificar puntos débiles
Presentar diferentes alternativas de filosofías de esquemas de protección
Soluciones y/o recomendaciones
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3.1.1 Primera etapa: Estudio preliminar El principal objetivo de esta etapa consiste en recopilar la información necesaria para poder caracterizar el sistema eléctrico y los tipos de cargas de la empresa. En esta etapa, como se puede ver en la Figura 3-2, se hace una inspección visual, se realiza la encuesta con la herramienta computacional desarrollada específicamente para este proyecto (ver sección 3.2 ENCUESTA).
3.1.1.1 Inspección visual Por medio de la inspección visual se busca identificar los sitios de conexión a la alimentación principal, cada una de las cargas atendidas, es decir determinar si son cargas lineales o no lineales, obtener los datos de placa de cada una de las cargas e identificar las protecciones existentes con sus respectivos datos de placa.
3.1.1.2 Realizar la encuesta Este es un paso que se puede ir realizando en conjunto con la inspección visual (3.1.1.1), la encuesta tiene como principal objetivo tener una herramienta que contemple cada uno de las características necesarias para poder realizar el pre diagnostico, además de tener unos aspectos claros a supervisar a la hora de realizar la inspección visual.
3.1.1.3 Presentar informe preliminar Este informe consiste en mantener informado al cliente con respecto a los avances logrados durante la primera visita a la empresa, muchas veces ellos mismos desconocen como se encuentra su sistema y que equipos posee en sus instalaciones.
3.1.1.4 Obtener diagrama unifilar Es de vital importancia tener el diagrama unificar de la empresa con cada una de las características ya que es necesario a la hora de realizar el análisis técnico en las distintas herramientas. Si no se posee este diagrama se debe realizar uno como parte del estudio, esto llevará más tiempo en la realización del estudio debido a que su levantamiento llevara más tiempo.
3.1.2 Segunda etapa: Estudio técnico preliminar En esta etapa, el principal objetivo reside en hacer los estudios técnicos necesarios para posteriormente seleccionar las protecciones adecuadas, o en su defecto determinar si las que existen se encuentran ubicadas de forma correcta dentro del sistema. Como se puede ver en la Figura 3-2, se realizan simulaciones de flujo de carga, estudios de corto circuito y estudio de armónicos. Con la información recolectada en cada uno de los estudios, se pueden tomar decisiones acerca de la operación técnica del sistema, y es la base para la elección de un adecuado esquema de protección.
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Figura 3-3 Programas sugeridos para cada etapa
3.1.2.1 Flujo de carga Se realiza un estudio de flujo de carga simplificado para hallar la tensión nominal en cada uno de los puntos del sistema. La herramienta sugerida por nosotros es SISPOT, pero se puede usar cualquier otro programa que realice flujo de carga como por ejemplo Power World Simulator.
Primera etapa: Estudio preliminar
Segunda etapa: Estudio técnico preliminar
Tercera etapa: Estudio técnico
Visualizar e inspeccionar el sitio
Realizar encuesta
Presentar informe preliminar
Obtener diagrama unificar
Realizar flujo de carga
Realizar estudio de corto
Realizar estudio de
Identificar puntos débiles
Presentar diferentes alternativas de filosofías de esquemas de protección
Soluciones y/o recomendaciones
Encuesta desarrollada en este proyecto
SISPOT
HARMFLOW
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3.1.2.2 Estudio de corto circuito Se realiza este estudio para determinar las corrientes de corto circuito a los que se ve sometido el sistema en sus distintos puntos. La finalidad de éste es determinar los puntos críticos del sistema y tener una base en el momento de selección de los diferentes dispositivos de protección. La herramienta sugerida por nosotros es SISPOT, pero se puede usar cualquier otro programa que realice este estudio, como por ejemplo EasyPower.
3.1.2.3 Estudio de armónicos Se realiza el estudio de armónicos para establecer los efectos de las cargas no lineales sobre el sistema y tener un criterio más amplio en el momento de seleccionar los dispositivos de protección para mejorar la calidad de la potencia eléctrica. El software recomendado por nosotros es HARMFLOW, sin embargo, se puede usar cualquier otro programa que realice este estudio.
3.1.3 Estudio técnico Por último, en el estudio técnico el principal objetivo se centra en buscar las posibles soluciones, dar recomendaciones al actual esquema de protecciones de la industria y determinar cual es la más viable para la empresa.
3.1.3.1 Identificar puntos débiles Con base en los resultados obtenidos en la anterior etapa, se realiza el diagnóstico del estado en que se encuentra la red. De esta forma es posible diseñar una solución acorde a las necesidades del sistema.
3.1.3.2 Presentar diferentes alternativas de filosofía de esquemas de protección Se compara el esquema de protecciones con que cuenta la industria estudiada con algunas de las filosofías de esquemas de protección existentes, con el fin de seleccionar las protecciones adecuadas, determinar si las que existen se encuentran ubicadas de forma correcta o son las adecuadas dentro de las necesidades del sistema.
3.1.3.3 Soluciones y/o recomendaciones Se muestra la solución definitiva con base en los resultados de las anteriores etapas y se dan recomiendaciones al esquema actual de protecciones. Siempre es necesario buscar una solución técnico-económica, es decir que garantice a la empresa su adecuado funcionamiento e inversión.
3.2 ENCUESTA
Con el fin de automatizar la primera etapa de la metodología se desarrolló un programa en el lenguaje de programación Microsoft Visual Basic para Excel, el software tiene un ambiente visual agradable además de ser flexible y fácil de usar, mediante el cual se
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pueden responder las preguntas de la encuesta con el fin de recolectar la información suficiente para dar el pre diagnóstico.
3.2.1 Lenguaje VBA “VBA significa “Visual Basic for Applications”. El visual Basic es una herramienta muy útil que permite crear programas con un ambiente grafico amigable y similar a Windows, mediante ventanas, botones y graficas. El VBA permite usar los objetos de Excel para enriquecer la funcionalidad de los programas y disminuir su complejidad, haciendo posible usar todas herramientas y funciones ya creadas dentro del Excel.” El VBA cumple con la característica de sencillez para el usuario que se espera que tenga la encuesta. Otro punto a favor de realizar la herramienta sobre Excel es el hecho que la mayoría de computadores cuentan con esta herramienta ya instalada.
3.2.2 Manual del usuario En esta sección se presenta la forma de instalar y ejecutar el programa, en la primera sección se presenta la forma de instalación, en la segunda sección se explica la ejecución del programa, en la tercera el llenado de las formas.
3.2.2.1 Instalación Ubique el archivo D:\encuesta.xls, donde D hace referencia a la unidad del CD-ROOM. Luego copuelo en el lugar que usted desee que este se encuentre, por ejemplo C:\Mis Documentos. Una vez copiado se le deben asignar al archivo las propiedades de lectura y escritura, para hacer esto dar clic derecho sobre el archivo (en el lugar donde fue copiado, por ejemplo C:\Mis Documentos\encuesta.xls), dar clic sobre propiedades, enseguida verificar que las atributos de solo lectura y oculto NO se encuentren seleccionadas.
3.2.2.2 Ejecución del programa Antes de abrir el archivo primero se debe seleccionar el nivel de seguridad de las macros, para realizar esto se debe abrir Microsoft Excel en el menú herramientas, en macro y luego en seguridad dar clic, como se puede ver en la Figura 3-4. Se pueden seleccionar tres niveles de seguridad (Figura 3-5), se recomienda tener el nivel medio donde se pueden elegir las macros que se desean ejecutar, en el nivel mas alto (predeterminado en la mayoría de equipos) el programa puede que no funcione. El nivel de seguridad solo es necesario ajustarlo la primera vez que se vaya a ejecutar el programa; si el programa se sigue ejecutando en el mismo computador no es necesario volver a ajustar el nivel de seguridad. Después de haber seleccionado el nivel de seguridad se procede a abrir el programa, en el menú archivo, abrir; en seguida se pide que se ubique el archivo donde haya sido grabado, por ejemplo C:\Mis Documentos, y a continuación se da abrir, habiendo seleccionado el archivo previamente. Una vez abierto el archivo se puede observar la pantalla de la Figura 3-6. En esta pantalla se pueden ver dos botones, en el primero “encuesta preliminar” se llenan los datos correspondientes a una encuesta cualquiera, en el segundo “resumen” se puede
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ver los resultados de otra encuesta que se ingreso en algún otro momento, o si se quieren ver los resultados de la encuesta que se acabo de realizar.
Figura 3-4 Seleccionar el nivel de seguridad de las macros
Figura 3-5 Niveles de seguridad para las macros en Microsoft Excel
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3.2.2.3 Llenando las formas Una ves que se da click sobre “encuesta preliminar”. Se presentan cada una de las formas, donde se encuentran preguntas de tres tipos, de respuesta Si ó No (y/o No sabe), como se puede ver en la Figura 3-9, preguntas donde el usuario debe ingresar la información necesaria de acuerdo a las características eléctricas de los equipos instalados en la empresa o información con respecto a la empresa, Figura 3-8, y preguntas donde se pide seleccionar una de las opciones ya predeterminadas dentro de la forma, Figura 3-7.
Figura 3-6 Pantalla inicial
Figura 3-7 Forma donde las preguntas son abiertas
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Figura 3-8 Forma donde el usuario selecciona las opciones de unas predeterminadas
Figura 3-9 Forma donde las preguntas son de respuesta Si ó No (ó No sabe)
Una vez terminada de llenar la encuesta se presenta el resumen, como se puede ver en Figura 3-10. Podemos ver que aparece otra hoja llamada resumen, (ver círculo rojo).
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Figura 3-10 Pantalla después de llenar completamente la encuesta.
Figura 3-11 Generar reporte
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Al generar el reporte se abre otra hoja como la de la Figura 3-11, esta es una carta de presentación de los resultados de esta encuesta a la empresa con el fin de mantenerla informada, en esta carta se pueden cambiar todo o solamente los campos que están en rojo, fecha en que se realizo la visita y el nombre del ingeniero encargado del proyecto. Para cambiar los colores que se encuentran en rojo se debe seleccionar todo el documento, y luego se le cambia el color de la fuente dando clic sobre la letra “A” que se encuentra en la barra de herramientas, como se puede ver en la Figura 3-11 en el circulo negro y seleccionando el color negro o color automático. Esta carta se puede imprimir por medio del menú archivo imprimir, pero se debe poner las pagina que se va imprimir es, para realizar esto se debe poner en el intervalo de páginas desde 1 hasta 1, como se puede ver en la Figura 3-12.
Figura 3-12 Imprimir carta
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4 APLICACIÓN DE LA METODOLOGIA: CASO PRÁCTICO EN CLARIANT
Para la validación de la metodología de análisis de esquemas de protección, se realizó el estudió completo a la empresa Clariant Masterbach S.A. (Colombia), que es una empresa que ofrece una completa línea de productos y servicios, en base de su experiencia adquirida a lo largo de los años, como proveedor de materias primas de productos finales e insumos para los diferentes procesos industriales de sus clientes.
A continuación se presentan los resultados en cada una de las etapas de la
metodología:
4.1 Primera etapa: Estudio preliminar
Se obtuvo el diagrama unifilar de la empresa, una versión simplificada de éste se
muestra en la Figura 4-1 Diagrama unifilar simplificado Clariant S.A.. Se cumplió satisfactoriamente con esta etapa desarrollando la encuesta en conjunto con
la empresa. Con el diagrama unifilar y los datos obtenidos se comienza la ejecución de la siguiente etapa.
Figura 4-1 Diagrama unifilar simplificado Clariant S.A.
4.2 Segunda etapa: Estudio técnico preliminar
4.2.1 Flujo de carga Se realizó el flujo de carga, por medio del cual se obtuvo los flujos de potencias activa y
reactiva en cada uno de los nodos, como se puede ver en la Tabla 4-1.
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BUS 11 11400 MW Mvar MVA % Generator 1 0,26 0,19 0,3 To 22 1 0,15 0,1 0,2 18 To 33 1 0,12 0,09 0,1 23BUS 22 220 MW Mvar MVA % Load 1 0,15 0,1 0,2 To 11 1 -0,15 -0,1 0,2 18BUS 33 360 MW Mvar MVA % Load 1 0,12 0,09 0,1 To 11 1 -0,12 -0,09 0,14 23
Tabla 4-1 Resumen resultados flujo de carga
4.2.2 Estudio de corto circuito Se desarrolló un análisis de corto circuito estacionario para la empresa, ya que esta es
la metodología habitual y la que se propone por lo general en las normas, los principales resultados que se obtuvieron se presentan en la Tabla 4-2.
C V [V] T.Cond K L [Ft] NC f M Isca [A]1 220 2/0 10755 20 1 0,712 0,58427969 28395,952 220 2 5907 15 1 0,972 0,50720362 24650,063 220 4 3806 20 1 2,011 0,33216154 16143,034 220 2 5907 12 1 0,777 0,56265887 27345,185 220 2/0 10755 35 1 1,245 0,44540634 21646,726 220 4/0 15082 10 1 0,254 0,79764587 38765,547 220 4/0 15082 25 1 0,634 0,61191161 29738,868 220 4/0 15082 30 1 0,761 0,56783739 27596,869 220 2/0 10755 30 1 1,067 0,48373124 23509,31
10 220 2/0 10755 15 1 0,534 0,65204698 31689,4411 220 2/0 10755 10 1 0,356 0,73759664 35847,1512 220 2/0 10755 20 2 0,356 0,73759664 35847,1513 220 4/0 15082 18 1 0,457 0,68651118 33364,414 220 4/0 15082 10 1 0,254 0,79764587 38765,5415 220 4/0 15082 25 1 0,634 0,61191161 29738,8616 220 4 3806 18 1 1,81 0,35593205 17298,2717 220 4/0 15082 12 1 0,304 0,76662012 37257,6918 360 2/0 10755 15 1 0,199 0,83382777 24764,6519 360 4/0 15082 30 1 0,284 0,77867924 23126,7420 360 2/0 10755 10 1 0,133 0,88272242 26216,8221 360 4 3806 20 1 0,751 0,57114593 16963,0122 360 4/0 15082 18 1 0,171 0,85430984 25372,9723 360 2/0 10755 12 2 0,08 0,92617001 27507,2124 360 2/0 10755 20 1 0,266 0,79006546 23464,91
Tabla 4-2 Resumen resultados corrientes de corto circuito
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4.2.3 Estudio de armónicos Se realizó el estudio de armónicos utilizando Harmflow: El espectro armónico de
algunas cargas no lineales se presenta en la Figura 4-2 y en la Tabla 4-4. Los armónicos inyectados por las cargas no lineales a la red, que afectan la calidad de la potencia eléctrica se observan en la Tabla 4-3.
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40
Clari_1>noline_1-220(ALL)
Elec trotek Conc epts® TO P, The O utput Processor®
Cur
rent
(A
)
Frequency (H pu)
C lari_1>noline_1-220(ALL)C lari_1>noline_2-220(ALL)C lari_1>noline_3-220(ALL)
C lari_1>noline_4-220(ALL)C lari_1>noline_5-220(ALL)C lari_1>noline_6-220(ALL)
C lari_1>noline_7-220(ALL)
Figura 4-2 Espectro armónico cargas no lineales en 220 V
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40
Clari_1>nolin_10-360(ALL)
Elec trotek Conc epts® TO P, The O utput Processor®
Cur
rent
(A
)
F requency (H pu)
C lari_1>nolin_10-360(ALL) C lari_1>nolin_11-360(ALL)
C lari_1>noline_8-360(ALL) C lari_1>noline_9-360(ALL)
Figura 4-3 Espectro armónico cargas no lineales en 360 V
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54
0
50
100
150
200
0 10 20 30 40
Clari_1>220(ALL)
Elec trotek Conc epts® TO P, The O utput Processor®
Vol
tage
(V
)
Frequency (H pu)
C lari_1>220(ALL) C lari_1>360(ALL)
Figura 4-4 Espectro armónico de voltaje en los barrajes de 220 V y 360 V
Name Fund % THD %H3 %H5 %H7 %H911,4 5000 0 0 0 0 0220 94,5742 2,37191 1,4939 0,903593 1,04277 0,335434360 156,095 1,52348 0,703281 0,353932 0,853289 0,184278
Name %H11 %H13 %H15 %H17 %H19 %H2111,4 0 0 0 0 0 0220 0,946608 0,566879 0,163499 0,314572 0,119684 0360 0,789314 0,45077 0,095406 0,180097 0,245858 0
Name %H23 %H2511,4 0 0220 0,122277 0,073918360 0,073034 0,074351
Tabla 4-3 Armónicos de voltaje en los barrajes de 220 V y 360 V Como se observa en la Tabla 4-3, el nivel de THD de tensión no supera el 5% establecido por la norma IEEE 519, lo que indica que los niveles de armónicos, en cuanto a calidad de la potencia eléctrica, se encuentran aceptables.
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Name Fund %H3 %H5 %H7 %H9(nolin_10)( 64,031 65,7 37,7 12,7 4,4(nolin_11)( 107,939 19,9 7,4 3,2 2,4(noline_1)( 27,1789 3,9 82,8 77,5 7,6(noline_2)( 4,41646 3,9 82,8 77,5 7,6(noline_3)( 51,2562 65,7 37,7 12,7 4,4(noline_4)( 93,7678 65,7 37,7 12,7 4,4(noline_5)( 105,442 65,7 37,7 12,7 4,4(noline_6)( 55,2313 0 33,6 1,6 0(noline_7)( 5,34871 0 18,2379 11,9045 0(noline_8)( 44,4555 0 33,6 1,6 0(noline_9)( 26,923 3,9 82,8 77,5 7,6Name %H11 %H13 %H15 %H17 %H19(nolin_10)( 5,3 2,5 1,9 1,8 1,1(nolin_11)( 1,8 0,8 0,4 0,1 0,2(noline_1)( 46,3 41,2 0 14,2 9,7(noline_2)( 46,3 41,2 0 14,2 9,7(noline_3)( 5,3 2,5 1,9 1,8 1,1(noline_4)( 5,3 2,5 1,9 1,8 1,1(noline_5)( 5,3 2,5 1,9 1,8 1,1(noline_6)( 8,7 1,2 0 4,5 1,3(noline_7)( 5,73309 4,00906 0 1,93402 1,38907(noline_8)( 8,7 1,2 0 4,5 1,3(noline_9)( 46,3 41,2 0 14,2 9,7Name %H21 %H23 %H25(nolin_10)( 0 0 0(nolin_11)( 0 0 0(noline_1)( 0 1,5 2,5(noline_2)( 0 0 1,5(noline_3)( 0 0 0(noline_4)( 0 0 0(noline_5)( 0 0 0(noline_6)( 0 2,7 1,2(noline_7)( 0 0,938283 0,85954(noline_8)( 0 2,7 1,2(noline_9)( 0 1,5 2,5
Espectro armónico de las cargas no lineales
Tabla 4-4 Espectro armónico de cargas no lineales
4.3 Tercera etapa: Estudio técnico
Para una correcta elección de los dispositivos de protección es imprescindible el
conocimiento de los valores a los que pueden llegar las magnitudes eléctricas fundamentales, tanto en condiciones normales como en condiciones de contingencia, por ejemplo los de corto circuito.
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Al realizar el análisis se encontró que el esquema de protecciones que utiliza la industria es el más adecuado para las necesidades, ya que garantiza el respaldo a los distintos puntos de la red y mantiene la calidad de la potencia en buenos niveles. En la Tabla 4-5 se hace una relación de las principales protecciones asociadas a algunas cargas en la red. Además, Clariant S.A. cuenta con un sistema de puestas a tierra recientemente actualizado bajo las recomendaciones sugeridas en la norma IEEE 142.
Para fortalecer aún más este esquema, se sugiere situar fusibles de alta capacidad
antes de los interruptores que portege cada uno de los transformadores, esto serviran de protección de respaldo a los interruptores.
Nodo Descripción Tipo N. Voltaje [V] Isca [kA] Protección A.1 B. 11.4 kV Gen. 28,42 B. 220 V Gen. 24,7 Interruptor3 B. 360 V Gen. 16,1 Interruptor4 Carga No - Lin. 220 27,3 Interruptor automático5 Carga Lin. 220 21,6 Interruptor automático6 Carga Lin. 220 38,8 Interruptor automático7 Carga No - Lin. 220 29,7 Interruptor automático8 Carga Lin. 220 27,6 Interruptor automático9 Carga Lin. 220 23,5 Interruptor automático
10 Carga No - Lin. 220 31,7 Interruptor automático11 Carga No - Lin. 220 35,8 Interruptor automático12 Carga Lin. 220 35,8 Interruptor automático13 Carga No - Lin. 220 33,4 Interruptor automático14 Carga Lin. 220 38,8 Interruptor automático15 Carga No - Lin. 220 29,7 Interruptor automático16 Carga No - Lin. 220 17,3 Interruptor automático17 Carga Lin. 220 37,3 Interruptor automático18 Carga No - Lin. 360 24,8 Interruptor automático19 Carga Lin. 360 23,1 Interruptor automático20 Carga No - Lin. 360 26,2 Interruptor automático + TVSS21 Carga No - Lin. 360 17,0 Interruptor automático22 Carga Lin. 360 25,4 Interruptor automático23 Carga No - Lin. 360 27,5 Interruptor automático24 Carga Lin. 360 23,5 Interruptor automático
Tabla 4-5 Resumen dispositivos de protección
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5 CONCLUSIONES
• Se cuenta con una herramienta sistematizada, sencilla y ágil para el análisis de
esquemas de protección de los sistemas eléctricos desde el punto de vista de calidad de la potencia eléctrica que se ajusta a los procedimientos que se usan comúnmente en las auditorias realizadas por ingenieros en las instalaciones industriales.
• Como la mayoría de los problemas de la calidad de la potencia eléctrica se deben
a deficiencias de las instalaciones eléctricas y a esquemas de protección débiles en el sentido que no siempre se escogen los elementos de protección adecuados o estos no se coordinan adecuadamente para cumplir con su función específica.
• El aplicar esta metodología para el levantamiento y análisis de los esquemas de
protección existentes en la industria garantiza la disminución del número de fallas y gravedad de las mismas.
• Es necesario incluir en la metodología otros estudios técnicos, tales como estudio de coordinación de protecciones y estudio de transitorios, entre otros; esto para tener criterios más amplios en el momento de realizar el análisis de esquemas de protección.
TRABAJO FUTURO
• La creación de herramientas en el análisis de esquemas de protección es de gran ayuda para los ingenieros a la hora de realizar estudios de fallas del sistema. Es de vital importancia que se promueva la creación de nuevas herramientas o la mejora de la que se desarrolló en este proyecto, en cuanto a eficiencia y concentración de más etapas de la metodología, ya que de esta forma se fortalecerá la ayuda y se obtendrá una más robusta para el área del estudio de protecciones.
• En el estudio técnico preliminar, es necesario la inclusión de un estudio de puestas
a tierra, debido a la importancia de éstas en la prevención de fallas y daño de equipos. Los SPT deben acogerse a las recomendaciones hechas por la norma IEEE 142.
• De igual forma, para tener una mayor confiabilidad en la metodología, es
necesario incluir un estudio de transitorios para contar con más criterios en el momento de seleccionar los diferentes dispositivos del esquema de protección.
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58
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27/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica 11
Análisis de esquemas de Análisis de esquemas de protección para redes de baja protección para redes de baja
tensión industriales para mejorar tensión industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricala calidad de la potencia eléctrica
Autores:Autores: IvIváán Camilo Dn Camilo DííazazUlises SantiagoUlises Santiago
Asesor:Asesor: MarMaríía T. Rueda de Torresa T. Rueda de TorresGustavo A. RamosGustavo A. Ramos
2227/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
AGENDAAGENDA
ObjetivosObjetivosJustificaciónJustificaciónMetodologíaMetodologíaCaso pilotoCaso pilotoConclusiones y recomendacionesConclusiones y recomendacionesPreguntasPreguntas
3327/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
OBJETIVOSOBJETIVOS
GeneralGeneral
Este estudio permite establecer una Este estudio permite establecer una metodología para el análisis de esquemas metodología para el análisis de esquemas de protección considerando los aspectos de de protección considerando los aspectos de calidad de la potencia eléctrica.calidad de la potencia eléctrica.
4427/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
OBJETIVOSOBJETIVOS
EspecíficosEspecíficos
Formulación de un procedimiento de Formulación de un procedimiento de inspección para el levantamiento de un inspección para el levantamiento de un esquema de protección.esquema de protección.
Aplicación de la metodología en un caso Aplicación de la metodología en un caso piloto. piloto.
5527/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
AGENDAAGENDA
ObjetivosObjetivosJustificaciónJustificaciónMetodologíaMetodologíaCaso pilotoCaso pilotoConclusiones y recomendacionesConclusiones y recomendacionesPreguntasPreguntas
6627/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
JUSTIFICACIÓNJUSTIFICACIÓN
En las últimas décadas la industria ha En las últimas décadas la industria ha implementado el uso de nuevas tecnologías implementado el uso de nuevas tecnologías caracterizadas por la presencia de cargas caracterizadas por la presencia de cargas no lineales.no lineales.
La proliferación en la industria de equipos La proliferación en la industria de equipos más sensibles a las perturbaciones de la más sensibles a las perturbaciones de la corriente o del voltaje.corriente o del voltaje.
7727/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
JUSTIFICACIÓNJUSTIFICACIÓNPrincipales razones de proteger las redes Principales razones de proteger las redes
eléctricas:eléctricas:
Mejorar la confiabilidad de los sistemas eléctricos Mejorar la confiabilidad de los sistemas eléctricos industriales.industriales.
Garantizar calidad y eficiencia en la red.Garantizar calidad y eficiencia en la red.
Hacer un uso más eficiente de los activos de la Hacer un uso más eficiente de los activos de la empresa ( equipos) tanto desde el punto de vista de empresa ( equipos) tanto desde el punto de vista de su función como de su vida útil.su función como de su vida útil.
8827/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
AGENDAAGENDA
ObjetivosObjetivosJustificaciónJustificaciónMetodologíaMetodologíaCaso pilotoCaso pilotoConclusiones y recomendacionesConclusiones y recomendacionesPreguntasPreguntas
9927/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE ESQUEMAS DE PROTECCIÓNESQUEMAS DE PROTECCIÓN
Primera etapa: Estudio preliminar
Visualizar e inspeccionar el sitio
Realizar encuesta
Presentar informe preliminar
Obtener diagrama unifilar
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industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
EncuestaEncuesta
111127/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
Segunda etapa: Estudio técnico preliminar
Realizar flujo de carga
Realizar estudio de corto circuito
Realizar estudio de armónicos
METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE ESQUEMAS DE PROTECCIÓNESQUEMAS DE PROTECCIÓN
121227/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE ESQUEMAS DE PROTECCIÓNESQUEMAS DE PROTECCIÓN
Tercera etapa: Estudio técnico
Identificar puntos débiles
Presentar diferentes alternativas defilosofía de esquemas de protección
Soluciones y/o recomendaciones
131327/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
ESQUEMAS DE PROTECCIÓN ESQUEMAS DE PROTECCIÓN EN REDES DE BAJA TENSIÓNEN REDES DE BAJA TENSIÓN
Sobreintensidades (sobrecargas y cortocircuitos).Sobreintensidades (sobrecargas y cortocircuitos).
Protecciones para la calidad de la potencia eléctrica.Protecciones para la calidad de la potencia eléctrica.
Es indispensable proteger el sistema Es indispensable proteger el sistema contra:contra:
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industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
SOBREINTENSIDADESSOBREINTENSIDADES
SOBRECARGASSOBRECARGASOperación de un equipo fuera de lo normal, a Operación de un equipo fuera de lo normal, a carga completa.carga completa.RelésRelés térmicos, fusibles e interruptores.térmicos, fusibles e interruptores.
CORTOCIRCUITOCORTOCIRCUITOFalla que puede suceder en una instalación Falla que puede suceder en una instalación eléctrica.eléctrica.Interruptores y fusibles.Interruptores y fusibles.
151527/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓNDISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN
RELÉSRELÉS
FUSIBLESFUSIBLES
INTERRUPTORES INTERRUPTORES
161627/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
PROTECCIONES PARA LA CALIDAD PROTECCIONES PARA LA CALIDAD DE LA POTENCIA ELECTRICADE LA POTENCIA ELECTRICA
Contra sobre tensionesContra sobre tensionesContra transitorios de voltajeContra transitorios de voltajeContra ruidoContra ruidoContra armónicosContra armónicosContra fluctuaciones de voltajeContra fluctuaciones de voltajeContra interrupcionesContra interrupciones
171727/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓNDISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN
UPSUPSTransformadores de aislamientoTransformadores de aislamientoTVSSTVSSFiltrosFiltrosReguladores de voltajeReguladores de voltaje
181827/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
FILOSOFIA DE ESQUEMA DE FILOSOFIA DE ESQUEMA DE PROTECCIÓNPROTECCIÓN
1.1. Fusible de alta capacidad.Fusible de alta capacidad.2.2. Interruptor bajo carga, Interruptor bajo carga,
corriente nominal Icorriente nominal INN = 400 A.= 400 A.3.3. Transformador de Transformador de
distribución 400 KVA, distribución 400 KVA, corriente de cortocircuito corriente de cortocircuito IIKK=9.6 KA.=9.6 KA.
4.4. Interruptor de protección: Interruptor de protección: corriente nominal Icorriente nominal INN = 630 A, = 630 A, con relés electromagnéticos con relés electromagnéticos de sobreintensidad de de sobreintensidad de retardo breve (b) y relés retardo breve (b) y relés bimetálicos (a).bimetálicos (a).
5.5. Fusibles con IFusibles con INN = 200 A.= 200 A.
10 kv
1
2
3I k = 9,6 kA
4
5400/ 231 V
191927/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
CASO PILOTOCASO PILOTO
Se realizó el estudió completo a Se realizó el estudió completo a ClariantClariantMasterbachMasterbach S.A. S.A.
Empresa que ofrece una completa línea de Empresa que ofrece una completa línea de productos y servicios, como proveedor de productos y servicios, como proveedor de materias primas de productos finales e materias primas de productos finales e insumos para los diferentes procesos insumos para los diferentes procesos industriales de sus clientes.industriales de sus clientes.
202027/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
Primera etapaPrimera etapa
212127/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
Segunda etapaSegunda etapa
Flujo de cargaFlujo de carga Corto circuitoCorto circuitoC V [V] T.Cond K L [Ft] NC f M Isca [A]
1 220 2/0 10755 20 1 0,712 0,58427969 28395,952 220 2 5907 15 1 0,972 0,50720362 24650,063 220 4 3806 20 1 2,011 0,33216154 16143,034 220 2 5907 12 1 0,777 0,56265887 27345,185 220 2/0 10755 35 1 1,245 0,44540634 21646,726 220 4/0 15082 10 1 0,254 0,79764587 38765,547 220 4/0 15082 25 1 0,634 0,61191161 29738,868 220 4/0 15082 30 1 0,761 0,56783739 27596,869 220 2/0 10755 30 1 1,067 0,48373124 23509,31
10 220 2/0 10755 15 1 0,534 0,65204698 31689,4411 220 2/0 10755 10 1 0,356 0,73759664 35847,1512 220 2/0 10755 20 2 0,356 0,73759664 35847,1513 220 4/0 15082 18 1 0,457 0,68651118 33364,414 220 4/0 15082 10 1 0,254 0,79764587 38765,5415 220 4/0 15082 25 1 0,634 0,61191161 29738,8616 220 4 3806 18 1 1,81 0,35593205 17298,2717 220 4/0 15082 12 1 0,304 0,76662012 37257,6918 360 2/0 10755 15 1 0,199 0,83382777 24764,6519 360 4/0 15082 30 1 0,284 0,77867924 23126,7420 360 2/0 10755 10 1 0,133 0,88272242 26216,8221 360 4 3806 20 1 0,751 0,57114593 16963,0122 360 4/0 15082 18 1 0,171 0,85430984 25372,9723 360 2/0 10755 12 2 0,08 0,92617001 27507,2124 360 2/0 10755 20 1 0,266 0,79006546 23464,91
BUS 11 11400 MW Mvar MVA % Generator 1 0,26 0,19 0,3 To 22 1 0,15 0,1 0,2 18 To 33 1 0,12 0,09 0,1 23BUS 22 220 MW Mvar MVA % Load 1 0,15 0,1 0,2 To 11 1 -0,15 -0,1 0,2 18BUS 33 360 MW Mvar MVA % Load 1 0,12 0,09 0,1 To 11 1 -0,12 -0,09 0,14 23
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industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
Segunda etapaSegunda etapa
Estudio ArmónicosEstudio Armónicos
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40
Clari_1>noline_6-220(ALL)
Elec trotek C onc epts® TO P, The O utput Proc ess or®
Curre
nt (A
)
F requenc y (H pu)
C lari_1> noline_6-220(ALL) C lari_1>noline_7-220(ALL)
C lari_1> noline_8-360(ALL) C lari_1>noline_9-360(ALL)
232327/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
Segunda etapaSegunda etapa
Estudio ArmónicosEstudio Armónicos
Name Fund % THD %H3 %H5 %H7 %H911,4 5000 0 0 0 0 0220 94,5742 2,37191 1,4939 0,903593 1,04277 0,335434360 156,095 1,52348 0,703281 0,353932 0,853289 0,184278
Name %H11 %H13 %H15 %H17 %H19 %H2111,4 0 0 0 0 0 0220 0,946608 0,566879 0,163499 0,314572 0,119684 0360 0,789314 0,45077 0,095406 0,180097 0,245858 0
Name %H23 %H2511,4 0 0220 0,122277 0,073918360 0,073034 0,074351
242427/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
industriales para mejorar la calidad de la potencia eléctricaindustriales para mejorar la calidad de la potencia eléctrica
Tercera etapaTercera etapa
ClariantClariant cuenta con un muy buen cuenta con un muy buen esquema de protecciones.esquema de protecciones.
Cuentan con dispositivos de última Cuentan con dispositivos de última tecnología.tecnología.
Recomendamos un TVSS en la Recomendamos un TVSS en la alimentación de la red y fusibles de alta alimentación de la red y fusibles de alta capacidad el los interruptores de los capacidad el los interruptores de los transformadores.transformadores.
252527/02/200427/02/2004Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión Análisis de esquemas de protección en redes de baja tensión
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AGENDAAGENDA
ObjetivosObjetivosJustificaciónJustificaciónMetodologíaMetodologíaCaso pilotoCaso pilotoConclusiones y recomendacionesConclusiones y recomendacionesPreguntasPreguntas
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CONCLUSIONESCONCLUSIONES
Se aplicó satisfactoriamente la Se aplicó satisfactoriamente la metodología y se ajusto a las expectativas metodología y se ajusto a las expectativas planteadas.planteadas.
La creación de herramientas en el análisis La creación de herramientas en el análisis de esquemas de protección es de gran de esquemas de protección es de gran ayuda para los ingenieros a la hora de ayuda para los ingenieros a la hora de realizar estos estudios. realizar estos estudios.
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PREGUNTASPREGUNTAS
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