El propósito del presente informe es conocer las intensidades de falla que pueden producirse en un circuito de baja tensión y como un interruptor automático magnetotérmico actúa con el fin de proteger a la instalación de esta corriente no deseada. Finalmente se describirán los tipos de ajuste para interruptores automáticos y como comprobar las diferentes curvas de disparo para realizar selectividad en circuitos.
1. CORRIENTE DE SOBRECARGA Se dice que una corriente es de sobrecarga o de sobreintensidad cuando sobrepasa el valor nominal o de trabajo que está fijado. Dicho valor de trabajo viene fijado por la corriente nominal de consumo de las cargas asignadas. Las causas de una sobreintensidad suelen producirse por incidencias puntuales o averías que en un determinado periodo, acaban produciendo un sobreconsumo de corriente. Entre las incidencias más habituales encontraremos motores que son expuestos a un esfuerzo excesivo, instalaciones a las que se le conectan elementos de un consumo mayor al previsto en su diseño inicial o simplemente un dimensionamiento erróneo del tamaño de los conductores que deriva en un sobrecalentamiento de los mismos. Protegiendo cualquier circuito ante la aparición de una sobrecarga, alargamos la vida de los conductores y del resto de los elementos que componen la instalación, además de prevenir la aparición de desperfectos que pueden causar daños materiales que a su vez pueden ocasionar otros problemas más serios. 2. INTERRUPTORES AUTOMATICOS CON PROTECCION MAGNETOTERMICA Un interruptor automático con protección magnetotérmica es aquel que es capaz de interrumpir el paso de corriente eléctrica cuando detecta un fallo por sobreintensidad o cortocircuito. A diferencia de un fusible, este tipo de interruptores son rearmables y pueden volver al trabajo una vez que se “disparan”. La manera de detectar las anomalías por sobreintensidad o cortocircuito han ido evolucionando con el paso del tiempo a operaciones de tipo electrónico, pero aún hoy los principios de funcionamiento y detección de este tipo de anomalías siguen siendo válidos.
Existen en el mercado interruptores que pueden ser totalmente regulables, es decir que podemos ajustar ambos parámetros, o aquellos en los que únicamente uno de los dos puede serlo. A continuación se detallan algunas definiciones respecto a la nomenclatura que se pueden encontrar en cualquier hoja de características de un interruptor automático. En la página se muestra una tabla con distintos elementos de protección. La tabla se confecciona con aparatos de la gama de interruptores magnetotérmicos y automáticos de EATON Sobrecarga: También conocido como ajuste térmico o tipo de protección L. Este valor es fijado en función de la intensidad de empleo del aparato. Para realizar selectividad parcial o total deberemos de conocer las curvas características de disparo de cada aparato. Cortocircuito: Es el valor al cual disparará el interruptor al circular una alta corriente provocada por un cortocircuito. Este valor puede ser instantáneo (tipo I) o retardado (tipo S). Para realizar selectividad total utilizaremos el ajustable por tiempo, de manera que no se solapen las diferentes curvas de los interruptores que intervienen. Para realizar selectividad total o parcial será necesario conocer las curvas características de disparo de cada aparato. 3. APERTURA BRUSCA DE UN INTERRUPTOR CON PROTECCION MAGNETOTERMICA
4. SELECCION DE UN INTERRUPTOR CON PROTECCION MAGNETOTERMICA A la hora de seleccionar un interruptor automático, han de ser tenidos en cuenta varios aspectos tales como:
Uno de los principales obstáculos al escoger un interruptor automático, es determinar el poder de corte del mismo, y para escoger este poder de corte deberemos conocer la intensidad máxima de cortocircuito que circulará en el punto donde se instalará el interruptor. Como ya se ha dicho anteriormente, la intensidad de cortocircuito viene determinada principalmente por la fuente generadora de tensión, pero existen otros condicionantes como la cantidad de conductores y la longitud y sección de los mismos hasta el lugar donde el interruptor magnetotérmico será conectado. Todos estos parámetros no son difíciles de obtener cuando se comienza una instalación y se trabaja sobre un proyecto, pero la dificultad aumenta cuando hablamos de emplazar nueva maquinaria o instalaciones a medida en lugares donde ciertos datos técnicos son difíciles de localizar. Otro de los aspectos al que se debe de prestar especial atención es a la interacción de los interruptores magnetotérmicos entre sí. Es decir, la selectividad. 5. CONCEPTO DE SELECTIVIDAD Decimos que en un instalación existe selectividad cuando los diferentes elementos de protección se combinan entre si para obtener un mejor aprovechamiento de la energía eléctrica. Esto quiere decir que en el caso de eventuales incidencias en la instalación, los componentes de protección aislarán el fallo mediante la apertura del interruptor más próximo a dicho defecto, de manera que este defecto no provoque la interrupción del suministro continuo de energía al resto de los componentes de la instalación. Existen dos tipos de selectividad.
Existen varias técnicas para conseguir selectividad. A continuación se describen las dos más usuales.
Existen otras técnicas para realizar selectividad, tales como la selectividad de ZONA. En este caso los diferentes interruptores se combinan entre si mediante lecturas de intensidad en los mismos. En cuanto en alguna de esas lecturas se detecta una corriente de falla, uno o varias elementos de lógica programable abrirán el interruptor más adecuado con el fin de mantener el máximo de elementos Tanto si se decide efectuar una selectividad amperométrica como si se opta por la cronométrica, la elección de los interruptores y su ajuste será determinante en el éxito de nuestro propósito. En capítulos sucesivos se describe como realizar el ajuste apropiado para 2 interruptores. 6. CURVAS DE DISPARO DE AUTOMATICOS SIN POSIBILIDAD DE REGULACION. Para los casos que los interruptores tengan fijos los valores de disparo por sobrecarga y cortocircuito, se deberán identificar las curvas de disparo características. A continuación se pueden observar algunos ejemplos de estas curvas. En el eje horizontal se representan los valores de corriente y en el eje vertical el tiempo. Es decir, que conociendo el valor de intensidad podremos saber fácilmente cuanto tiempo tardará en disparar el interruptor. Las curvas representan en su parte alta los valores de disparo por sobrecarga. Siendo el valor de intensidad nominal de empleo el valor al que nunca llegará dicha curva y que el interruptor trabajará sin problemas. La parte baja de la curva sería la implicada en la actuación de protección magnetotérmica o por cortocircuito. 7. AJUSTES EN UN INTERRUPTOR AUTOMATICO REGULABLE A continuación pasaremos a describir el ajuste de un interruptor con el disparador por sobrecarga y cortocircuito (térmica y magnética) regulables. Para ello tomaremos como ejemplo un interruptor magnetotérmico en caja moldeada de la gama NZM. Como se aprecia en el gráfico, en la unidad de disparo del interruptor, encontramos 2 potenciómetros de ajuste. A la izquierda ajustaremos el valor de intensidad de sobrecarga, es decir “la parte alta de la curva de disparo”, y en el potenciómetro de la derecha el ajuste será para el disparo por cortocircuito, es decir la parte baja de la curva. A continuación se realizará un ejemplo práctico para desarrollar las curvas de disparo de un interruptor automático. En este caso se escoge un interruptor automático de 200A el cual será regulable por sobrecarga entre 160 y 200 A. y por cortocircuito entre 1200 y 2000 A. Dejando la regulación del magnético fijo (cortocircuito – el potenciómetro de la derecha), y únicamente se ajustará la ruleta de los valores de sobrecarga, la gráfica resultante sería la mostrada en la página siguiente: En cambio, si se deja fijo el potenciómetro de ajuste del valor de sobrecarga a 200A y se ajusta con distintos valores la intensidad de protección por cortocircuito, la gráfica resultante será la siguiente: En las gráficas anteriores puede verse como cambia la parte de arriba (curva térmica) y la parte de abajo (curva magnética) dependiendo de su ajuste. En ambos casos podemos ver en cuanto tiempo (representado en el eje vertical de la gráfica) saltará el interruptor en función de la intensidad (eje horizontal de la gráfica) A continuación se muestra un ejemplo de selectividad total entre un interruptor de 250A (con ajuste térmico a 200A y magnético a 2500A) combinado con uno de 125A (con ajuste térmico a 125A y magnetotérmico a 1000A). En este ejemplo práctico vemos como las dos curvas de disparo no llegan a interponerse la una con la otra y de esta manera se garantiza que el interruptor de calibre más pequeño, ante una falla, actuará antes que el de mayor calibre. En el caso de instalaciones típicas en distribución de energía, este tipo de interruptores suelen proporcionar una buena selectividad, incluso combinándose con pequeños interruptores automáticos. 8. AJUSTES EN UN INTERRUPTOR CON REGULACION DE SOBRECARGA Y CORTOCIRCUITO EN TIEMPO Y MAGNITUD Si en el caso anterior disponíamos únicamente de 2 ajustes, en los interruptores de tipo selectivo dispondremos de 4 o 5 potenciómetros de ajuste dependiendo del modelo de interruptor que escojamos. A continuación se representan los ajustes principales que servirán para modificar las características de disparo de nuestro interruptor: A continuación se representa la gráfica resultante de los ajustes realizados en el ejemplo: Como se puede apreciar la gráfica resultante adquiere una forma distinta a las que se ha visto en los interruptores sin regulación de tiempo. En el gráfico siguiente se puede apreciar la misma gráfica pero añadiendo un interruptor del mismo calibre pero con diferentes ajustes, comprobando de esta forma la flexibilidad en términos de regulación de este tipo de interruptores. 9. CURVE SELECT. SOFTWARE DE SIMULACION DE CURVAS DE DISPARO Los siguientes elementos de protección pueden ser simulados mediante software:
Una vez escogido el idioma Es, será necesario rellenar los campos de tensión nominal (generalmente 400 VAC) y de frecuencia de red (50 Hz). A continuación se pasará directamente a escoger en cualquiera de las pestañas el tipo de elemento de protección del que queramos simular la curva. Como ejemplo se realizará la simulación de un interruptor NZM. Para ello se selecciona la pestaña NZM (tamaño 1, 2, 3 ó 4) y se rellenan los datos de ajuste. Una vez rellenados los datos que se solicitan, la curva característica del interruptor aparecerá en la pestaña de presentación de curvas (Kennlinien<>Curves). Mediante el programa se podrán simular las curvas de disparado de varios elementos de protección al mismo tiempo. De esta manera se tendrá una apreciación de manera sencilla y precisa de todos los detalles, en cuanto a protección se refiere, del circuito diseñado. El programa también será útil para determinar el tipo de interruptor que se debe escoger al tratar de proteger instalaciones con motores o cualquier carga que requiera especial atención o simplemente para tratar de corregir defectos existentes en instalaciones con un mal diseño de origen.
Protección de los empleados y responsabilidad
4. Resumen Al diseñar e implementar los cuadros eléctricos de baja tensión y las instalaciones que los acompañan, en muchos casos es necesario, desde el punto de vista de la protección técnica, analizar si los requisitos mínimos especificados en las normas técnicas aceptadas de forma general son suficientes para una protección real. Estos estudios contemplan, por un lado, la función de interrupción de daños durante el fallo total o parcial de dichas instalaciones y los costes de recuperación de piezas del sistema defectuosas y, por otro lado, los requisitos (en muchos casos incluso estipulados por ley) de protección de los empleados y las responsabilidades de los empleadores. [04] Hagebölling, V. [Hrsg.]; Technisches Risikomanagement, TUV Media GmbH, Cologne 2009.
[06] Alvehag Karin; Söder, Lennart., Comparison of costo models for estimating customer. [08] Answers to the question: "how high would you evaluate your operational damage in the case of total IT failure, depending on the duration of the failure?" Estudio ECC, NEG. Ministerio Federal de Economía y Tecnología, Alemania; Fuente: Statista GmbH [09] República Federal de Austria; Ley de protección de empleados - ASchG; Federal Gazette No. 450/1994 of 17.6.1994, corregida. [10] 89/391/EEC; Consejo Directivo del 12 de junio de 1989 sobre la ejecución de medidas para mejorar la seguridad y protección de empleados en el trabajo. [11]Achatz Bernhard; What are the legal consequences of a work accident? https://www.wko.at/Content.Node/Service/Arbeitsrecht-und-Sozialrecht/Arbeits-recht/Dienstverhunderung-und-krankenstand/t/Welchhe_rechtlihen_Fol-gen_kann_ein_Arbeitsunfall_haben_.html , recuperado el 30.4.2015 [12]ARCON - The lightning airbag for your substation; Eaton GmbH, Viena. [13] IEC/TR 61641:2014, Enclosed low-voltage switchgear and control gear assemblies - Guide for testing under of arcing due to internal fault. Protección del sistema y daños derivados Los daños derivados específicos de la instalación se pueden detectar con la ayuda de la función de interrupción de daños. Los costes de recuperación (p.ej., de los montajes de equipos de baja tensión y de piezas del sistema dañadas) deben, naturalmente añadirse siempre.
Las respuestas a las siguientes preguntas clave pueden servirle de ayuda: 1.¿Cuál es el impacto en la instalación de un fallo en el cuadro eléctrico? 2.¿Qué nivel alcanzan los daños derivados? 3.¿Cuáles son los posibles efectos de un fallo en los cuadros eléctricos para el personal de mantenimiento que trabaja cerca? ¿Cómo aplican en la práctica las medidas de mantenimiento preventivo que se llevan a cabo regularmente para impedir que se produzcan fallos y mantener el equipo operativo en condiciones adecuadas y atendido (p.ej., reparación, sustitución de piezas defectuosas)? 4.¿cuál es la gravedad del daño originado a la imagen de la empresa debido a la imposibilidad de cumplir los plazos de entrega? 5. ¿ Cuál es el impacto de un fallo de un equipo de baja tensión para el entorno? Referencias: 1. Normas técnicas aceptadas internacionalmente (IEC), normas aceptadas en forma general en todos los países europeos (EN), normas técnicas aceptadas internacionalmente (OVE,VDE...); para montajes de aparamenta de baja tensión, p.ej., serie IEC/EN 6143 2 Función de interrupción de daños 3 Esta designación aparece especialmente en publicaciones y en métodos de cálculo cuyo contenido se refiere a la evaluación del daño específico del cliente en caso de avería de la red de distribución. 4 Unidad monetaria (G): Las unidades pueden definirse como una cantidad de dinero específica, independientemente de la divisa respectiva mientras que esta última también se conoce como unidad monetaria. Las unidades monetarias suelen estar representadas por la "G". En comparación con la designación respectiva de una divisa (p.eje., Euros), la unidad monetaria es más bien la forma abstracta de un medio de pago que aparece de forma repetida. 5 Asimismo, para los sistemas de distribución de energía de reserva que se planifican y ejecutan de forma independiente a aquellos utilizados para el suministro de alimentación en el funcionamiento normal, también se puede determinar una función de interrupción de daños como base para realización técnica, [6] Alvehag, Karin; Söder, Lennart, Comparison of cost models for estimating customer interruption costs; Proceedings in Probabilistic Methods Applied to Power Systems (PMAPS); 2012 [7] Lenz, Ulrich; IT-Systeme: Ausfallsicherheit im Kostenvergleicht; 2007; http://www.cio.de/a/it-systeme-ausfallsicherheit-im-kostenvergleich,458076; recuperado el 25.02.2015 [8] Abswers to the question: “How high would you evaluate your operational damage in the case of total IT failure, depending on the duration of the failure? Estudio de ECC, NEG. Ministerio Federal de Economía y Tecnología , Alemania, Fuente: Statista GMbH, Johannes-Brahms-Platz 1, 20355 Hamburgo, http://de.statista.com/; 2015
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