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Transcript

Coordinación selectiva de conductores y disyuntores

para corrientes de corto circuito

Antony Moya Achoy

Lucas Coto Muñoz

Luis Diego Rodriguez Castro

Introducción

Algunos conceptos relacionados con el cortocircuito

Fundamentos

Generales

¿Qué es el cortocircuito?

Un cortocircuito es una falla eléctrica (defecto en el aislamiento o en la conductividad en el sistema eléctrico) que se produce cuando dos conductores de distinta polaridad o fase entran en contacto físico entre sí, habiendo perdido la cobertura aislante entre ellos. Se puede producir tanto en circuitos de corriente alterna como de corriente continua.

Diferencia entre cortocircuito y sobrecarga

La diferencia entre la sobrecarga y el cortocircuito está en la escala de tiempo en la que ambos se desarrollan. Un cortocircuito se debe interrumpir en fracciones de segundo, mientras que la sobrecarga puede ser detectada después de muchos más segundos

Corriente nominal de interrupción

La máxima corriente a la tensión nominal, que un dispositivo eléctrico es identificado que tiene previsto interrumpir, bajo condiciones normalizadas de ensayo. (NFPA 70, art. 100, NEC 2014)

Corriente de cortocircuito

Posible corriente simétrica de falla a tensión nominal, a la cual un aparato o un sistema pueden estar conectados sin sufrir daño que exceda los criterios de aceptación definidos. (NFPA 70, art. 100, NEC 2014)

Coordinación selectiva

Localización de una condición de sobrecorriente para restringir interrupciones en el circuito o en los equipos afectados, llevada a cabo mediante la selección e instalación de dispositivos de protección contra sobrecorriente y sus ajustes o configuraciones para el rango completo de las sobrecorrientes disponibles, desde la sobrecarga hasta la corriente de falla máxima disponible y para el rango completo de momentos de apertura de los dispositivos de protección contra sobrecorriente asociados con dichas sobrecorrientes. (NFPA 70, art. 100, NEC 2014)

¿Qué es un estudio de selectividad?

El término selectividad se refiere al disparo por corriente eléctrica de un dispositivo o equipo. Esto se debe a que el sistema está coordinado para discriminar entre dispositivos entrantes y salientes y evitar que cualquier corriente de falla saliente adicional afecte a todo el sistema.

¿Por qué son importantes los estudios de selectividad?

Los estudios de selectividad son un factor esencial en el diseño de cualquier instalación eléctrica. Los profesionales realizan un análisis exhaustivo de las protecciones eléctricas necesarias para garantizar la continuidad del suministro en caso de falla. Un buen estudio de selectividad permite la coordinación de diferentes protecciones en diferentes niveles de instalaciones eléctricas. (Trace-software, 2023)

Tipos de selectividad

Selectividad total: Sin importar el valor de la corriente de sobrecarga o de cortocircuito, se abre el interruptor B y nunca el interruptor A

Selectividad parcial: Se cumple lo anterior hasta un valor de corriente, a partir del cual pueden abrirse los interruptores B y A

Curva de selección para disyuntores

Curvas de selección de disyuntores

Sobrecorrientes

Sobrecorrientes

La sobre corriente puede ocurrir en condiciones normales, como la corriente de arranque de un motor. La corriente de arranque es el enorme consumo de corriente durante el arranque de un motor que provoca caídas de tensión en la línea principal. El disyuntor debe poder tolerar la corriente de arranque y debe proporcionar cierto retraso antes de dispararse.

Curva de disparo

Curvas de disparo

Una curva de disparo es una representación gráfica de la respuesta de un interruptor automático. Muestra la relación actual con el tiempo de actuación de un dispositivo de protección.

La región térmica muestra la respuesta de la unidad de disparo de contacto bimetálico durante la sobre corriente.

Mientras que la región magnética muestra la respuesta del solenoide a la corriente de falla, como una corriente de cortocircuito.

Tipos de curvas

Curvas de disparo

Existe una gran variedad de disyuntores que cuentan con distintos tipos de comportamiento, los cuales pueden ser provechosos para la protección específica de diferentes tipos de componentes.

Curva B

Sobrecarga: térmico estándar.

Cortocircuito: umbrales magnéticos fijados por curva B (Im entre 3 y 5 In o 3,2 y 4,8 In)

Se utilizan para protección de generadores y grandes longitudes de cable.

Curva C

Protección de cables alimentando receptores clásicos.

Sobrecarga: térmico estándar.

Cortocircuito: umbrales magnéticos fijados por curva C (Im entre 5 y 10 In o 7 y 10 según los aparatos)

Estos son los más utilizados. Son los utilizados en las instalaciones domésticas, alumbrado, tomas de corriente y usos generales.

Curva D

Protección de cables alimentando receptores con fuertes puntas de arranque.

Sobrecarga: térmico estándar.

Cortocircuito: umbrales magnéticos fijados por curva D (Im entre 10 y 14 In)

Receptores con fuertes puntas de arranque como motores o transformadores.

Curva Z

Protección de circuitos electrónicos.

Sobrecarga: térmico estándar.

Cortocircuito: magnéticos fijados por curva Z (Im entre 2,4 y 3,6 In)

Para protección de circuitos electrónicos.

Coordinación

Coordinación de protecciones

En el siguiente ejemplo, se han coordinado tres interruptores automáticos para que el tiempo de disparo de cada interruptor sea mayor que el tiempo de disparo de los interruptores aguas abajo, independientemente de la magnitud de la falla.

Curva B

Sobrecarga: térmico estándar.

Cortocircuito: umbrales magnéticos fijados por curva B (Im entre 3 y 5 In o 3,2 y 4,8 In)

Se utilizan para protección de generadores y grandes longitudes de cable.

Curva C

Protección de cables alimentando receptores clásicos.

Sobrecarga: térmico estándar.

Cortocircuito: umbrales magnéticos fijados por curva C (Im entre 5 y 10 In o 7 y 10 según los aparatos)

Estos son los más utilizados. Son los utilizados en las instalaciones domésticas, alumbrado, tomas de corriente y usos generales.

Curva D

Protección de cables alimentando receptores con fuertes puntas de arranque.

Sobrecarga: térmico estándar.

Cortocircuito: umbrales magnéticos fijados por curva D (Im entre 10 y 14 In)

Receptores con fuertes puntas de arranque como motores o transformadores.

Curva Z

Protección de circuitos electrónicos.

Sobrecarga: térmico estándar.

Cortocircuito: magnéticos fijados por curva Z (Im entre 2,4 y 3,6 In)

Para protección de circuitos electrónicos.

Curvas de protección de conductores

Curvas de protección para conductores

Un cable debe protegerse contra el sobrecalentamiento debido al flujo excesivo de corriente de cortocircuito en su conductor. Durante una falla de fase, se eleva primero la temperatura del conductor, seguido de los materiales de aislamiento, la cubierta protectora, la canalización y el entorno.

Factores

La protección contra cortocircuito de los conductores implica determinar los siguientes factores:

-Máxima corriente de cortocircuito.

-Máxima temperatura que el conductor soporta sin ocasionar daños en el aislamiento.

-Calibre del conductor y su capacidad para contener el calor.

-Tiempo de despeje de la falla

Cálculo de conductor

La protección contra cortocircuito de los conductores implica determinar los siguientes factores:

Debido a que la corriente de cortocircuito se interrumpe instantáneamente o en poco tiempo por el dispositivo de protección, la cantidad de calor transferido desde los conductores metálicos hacia el aislamiento y otros materiales es pequeño. Por lo tanto, el calor se trasfiere casi en su totalidad en los conductores. Durante el evento de cortocircuito, no se debe permitir que la temperatura del conductor aumente hasta el punto donde pueda dañar los materiales aislantes.

Curvas de protección

Curvas de protección para conductores

Curvas de Protección para conductores

Coordinación

Coordinación de protecciones

Curvas de Protección para conductores

Análisis de Cortocircuito

Análisis de cortocircuito

Existen distintos métodos de solución que pueden ser implementados para la solución de un circuito eléctrico y así encontrar los valores de corrientes de cortocircuitos que se espera se den en caso de una falla en el sistema, cada uno de los métodos con sus respectivas ventajas y desventajas

PROTECCIONES

ELÉCTRICAS

Protecciones électricas

Se debe considerar todos los elementos involucrados en un sistema de potencia , por lo cual es importante tener un conocimiento previo para poder aplicar estudios de cortocircuito en el sistema eléctrico.

ZONAS DE PROTECCIONES

Zonas de protecciones

Es necesario que todos los elementos estén protegidos en al menos dos puntos del sistema potencia a través de protecciones eléctricas, permitiendo que la falla del cortocircuito se pueda controlar de forma efectiva en caso de que la primera protección no se accione a causa de una falla mecánica o problema en el disyuntor.

FACTORES ASOCIADOS

Factores que ocasionas fallas de cortocircuito

• Descargas atmosféricas

• Contaminación

• Viento

• Terremotos

• Incendios

• Árboles caídos

• Animales

• Orígenes humanos (Accidentes, malas prácticas)

SIMBOLOGÍA

SIMBOLOGÍA IEE/ANSI

La simbología eléctrica empleada para los sistemas de protección eléctrica y fallas de cortocircuito utiliza los elementos de la IEEE y IEC.

COORDINACIÓN DE PROTECCIONES

COORDINACIÓN DE PROTECCIONES

CURVAS DE PROTECCIONES

CURVA DE COORDINACIÓN DE PROTECCIÓN ELÉCTRICA

MÉTODOS DE CÁLCULO

Métodos de cálculo

Existen diferentes métodos para realizar el cálculo de corrientes de corto circuito con base en el tipo de magnitud de corriente, ya sea trifásica, monofásica o bifásica. Para tal caso, el método de cálculo desarrollado se planeta basado en los componentes de secuencia representados por la norma IEC60909.

PROCEDIMIENTO

PROCEDIMIENTO PARA HALLAR LA FALLA DE CORTOCIRCUITO

  • Se debe determinar el circuito equivalente del sistema de distribución, de acuerdo don el tipo de falla que posea el sistema (trifásica, monofásica, bifásica). Estos son posible a través de valores en secuencia positiva, negativa y cero.

  • Posteriormente, se debe hallar la corriente de cortocircuito inicial IK. Una vez obteniendo este valor se procede a calcular la corriente de interés como la Ip e Ib.

  • Para tal caso, se van a ejemplificar la corriente de falla monofásica y trifásica.

TIPOS DE FALLAS

TIPOS DE FALLAS DE CORTOCIRCUITO

Se estima un porcentaje de los tipos de fallas generados en sistemas eléctricos.

• Monofásicas 70-80%

• Bifásicas 10-17%

• Bifásicas a tierra 8-10 %

• Trifásicas 2-3%

FALLA MONOFÁSICA

CÁLCULO DE FALLA MONOFÁSICA

  • Circuito Equivalente

  • Ecuación

FALLA TRIFÁSICA

CÁLCULO DE FALLA TRIFÁSICA

  • Circuito Equivalente

  • Ecuación

Es importante aclarar que en las fallas trifásica, solamente se involucra la impedancia Zd. Esta impedancia se remplaza por Zk , ya que esta impedancia se presenta en el punto de ocurrencia de la falla.

MÉTODOS DE CÁLCULO

MÉTODOS DE CÁLCULO

Método de las componentes simétricas.

  • Método de las impedancias.
  • Método porcentual.
  • Método de los kVA´s.
  • Método de la matriz.
  • Resolución por software

Melshort 2

Caso demostrativo

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