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    • Protección del sistema eléctrico de media tensión

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    Conocer los objetivos

    1. Comprender los requisitos de protección contra sobrecorrientes para los transformadores de distribución de media tensión.
    2. Comprender los requisitos de sobrecorrientes para la distribución de media tensión.
    3. Aprender sobre el código y los "mínimos" estándares que deben considerarse para la coordinación de los dispositivos de protección en media tensión.

    Hasta el momento, los ingenieros no habían trabajado con frecuencia en el diseño de los sistemas de media tensión (MV, por sus siglas en inglés), principalmente porque nada de más de 600 V era manejado por las utilidades. La excepción incluyó a los grandes consumidores eléctricos, tales como las instituciones gubernamentales, la industria minera o los sitios industriales. Sin embargo, en los 15 años anteriores, ha habido una explosión de sistemas de distribución eléctrica MV, que se utiliza en los grandes complejos comerciales. Muchos de estos complejos también tienen componentes de alto aumento con elevadores MV que dan servicio a subestaciones de unidades en sitios estratégicos, en niveles múltiples. Otra características de los grandes complejos comerciales es la función de la planta central asociada con enfriadores MV y subsestaciones de las unidades.

    El enfoque de este artículo son los requisitos de protección contra sobrecorrientes de los transformadores MV, y el conectar transformadores a los sistemas de distribución comunes. Los diseños MV son subjetivos y dependen de la aplicación. El objetivo es mostrar el código y los "mínimos" estándar que deben considerarse para la coordinación de los dispositivos de protección MV. Medir componentes MV, tales como motores, generadores, transformadores, sistemas de escritura, la arquitectura de los sistemas MV o el diseño de los esquemas de protección complicados, tales como reconectores, enclavamientos, protección diferencial, etc., se encuentra fuera del alcance de este artículo.

    Objetivos fundamentales

    Existen tres objetivos fundamentales para la protección contra sobrecorrientes que incluyen la protección a tierra contra fallas:

    1. Seguridad: Los requisitos de seguridad personal se cumplen si los dispositivos de protección han sido programados para suministrar e interrumpir la corriente máxima de carga disponible, así como para soportar las corrientes máximas de fallas disponibles. Los requisitos de seguridad garantizan que el equipo tienen la capacidad suficiente para soportar la energía máxima disponible del peor de los escenarios.

    2. Protección del equipo: Se cumplen los requisitos de protección si los dispositivos de sobrecorriente se ajustan por encima de los niveles de operación y por debajo de las curvas que dañan el equipo. La protección del alimentador y del transformador se define con base en los estándares que aplican para el equipo. Las curvas del motor y del generador son especificas para cada máquina y por lo general, vienen en los paquetes de datos otorgados por el vendedor.

    3. Selectividad: Se pretende que los requisitos de selectividad limiten la falla del sistema o la respuesta a sobrecargas, a un área en específico o a una zona de impacto y que limiten la interrupción del servicio a la misma. La selectividad se divide en dos grandes categorías:

    a. Debido a las limitaciones de operación del sistema y a la selección del equipo, la selectividad no siempre es posible para los sistemas de reserva opcional o que no son de emergencia.

    b. NFPA 70: El Código Nacional de Electricidad (NEC, por sus siglas en inglés) requiere la selectividad para lo siguiente:

    i. Sección 517.17(C): Selectividad de fallas a tierra en hospitales

    ii. Sección 700.27: Coordinación de los sistemas de emergencia

    iii. Sección 701.27: Coordinación de los sistemas de reserva legalmente requeridos

    Excepción: Las secciones 240,4A y 695 de NEC permiten que los conductores permanezcan sin protección contra sobrecargas, donde la interrupción del circuito representaría un peligro, tal como las bombas contra incendios. Sin embargo, la protección contra cortos circuitos sigue siendo necesaria.

    Definición de MV

    MV es un término que utiliza la industria de distribución de energía eléctrica; sin embargo, existen diversas definiciones.

    IEEE 141 divide los voltajes del sistema en "clases de voltaje". Los voltajes de 600 V y por debajo de estos se llaman "bajos voltajes", los voltaje de 600 V a 69 kV se llaman "medios voltajes", los voltajes de 69 kV a 230 kV se llaman "altos voltajes", y por último, los voltajes de 230 kV a 1,100 kV se llaman "extra altos voltajes", los de 1,100 kV también pueden llamarse "ultra altos voltajes".

    De acuerdo con IEEE 141, los sistemas de voltaje siguientes se consideran como sistemas MV:

    El fabricante de fusibles, Littelfuse, en su literatura, expone que "Los términos "medio voltaje" y "alto voltaje" ha sido utilizados de manera indistinta por mucha gente, para describir a los fusibles que operan por encima de los 600 V". Técnicamente hablando, los fusibles de "medio voltaje" son aquellos cuyo voltaje oscila entre los 2,400 o 38,000 Vac.

    La norma ANSI/IEEE C37.20.2 - La norma para conmutadores metálicos define MV como 4.76 a 38 kV.

    Para este artículo una definición de MV bastante funcional es de 1 a 38 kVac, así como cualquier otro nivel de voltaje por encima de los 38 kV es un voltaje a nivel transmisión frente a un voltaje a nivel distribución.

    Elección de MV

    La elección del voltaje de servicio se ve limitada por los voltajes que ofrecen las instalaciones. En la mayoría de los casos, sólo se encuentra disponible una opción sobre las instalaciones eléctricas y por lo general, la opción de voltaje está limitada. A medida que los requisitos de energía aumentan también aumenta la posibilidad de que las instalaciones requieran un voltaje mayor. Por lo general, si la demanda máxima se aproxima a los 30 MV, entonces, las instalaciones pueden requerir una subestación en el sitio. Sin embargo, la norma, es que las instalaciones ofrecerán diferentes servicio de MV, que el ingeniero tendrá que integrar en un sistema de distribución de MV del propietario.

    En algunos casos, las instalaciones ofrecen opciones de voltajes de servicios. En estos casos, debe conducirse un análisis de las opciones con el fin de determinar la mejor opción para el proyecto. En general, los altos voltajes dan como resultado más gastos por el equipo. De igual manera, los costoso por instalación y mantenimiento aumentan con este tipo de voltajes. Sin embargo, para los desarrollos a grande escala, el equipo, tal como grandes motores, puede necesitar un voltaje de servicio de 4160 V o mayor. Por lo general, la confiabilidad del servicio tiende a incrementar a medida que los voltajes de servicio lo hacen.

    Cuando se conecta a una instalación existente, por lo general, ésta dirige los requisitos de interconexión, incluyendo a los requisitos de protección de los dispositivos. La instalación necesitará establecer parámetros y limitaciones con base en el fabricante para proteger a los dispositivos.

    Protección del transformador de MV

    Con fines de discusión, considere un transformador medido de manera adecuada con valores conocidos. Para ser más específicos, un transformador correctamente medido y valorado incluye las características siguientes:

    • La capacidad adecuada para determinar la carga
    • La capacidad adecuada de sobrecarga temporal (medida de kVA o valores)
    • Los voltajes primarios y secundarios, clasificados correctamente para el sistema de distribución eléctrica
    • Ya sean los transformadores de tipo seco o de aislamiento en aceite, se han elegido correctamente para la aplicación.

    La norma NEC 2011 solicita que los transformadores estén protegidos contra sobrecorrientes (Sección 450,3 de NEC). Además, la Sección 450,3 (A) de NEC cubre de manera específica los transformadores de más de 600 V con el fin de incluir a los transformadores de MV.

    Figura 4: Muestra las secciones de NEC que aplican al servicio, los alimentadores y al equipo de distribución de MV. Atención: JBA Consulting Engineers

    Se requiere que los transformadores trifásicos de MV se proporcionen tanto con dispositivos de protección contra sobrecorriente (OPD, por sus siglas en inglés) primarios como secundarios, principalmente porque los conductores primarios y secundarios no se consideran como protegidos por la protección contra sobrecorrente primaria. Esto aplica especialmente para el delta primario y el estrella secundario, donde la falla a tierra del secundario puede no activar la protección primaria. La Sección 240,21 (C) y 450,3 (A) de NEC validan que está afirmación es verdadera.

    A pesar de que las bobinas del primario se clasificaron como de MV, el diseñador debe elegir entre los fusibles o los interruptores de circuito para proteger el transformador. Como regla general, los transformadores de 3000 kVA o más pequeños que se hayan instalado en una unidad independiente o en subestaciones de la unidad, por lo regular, se encuentran protegidos por fusibles. Las protecciones de los interruptores de MV se utilizan para los transformadores de más de 3000 kVA.

    A diferencia de los fusibles y los típicos interruptores de circuito de 600 V, los interruptores de circuito de MV dependen de los dispositivos aparte, tales como los transformadores de corriente (TC), transformadores potenciales )TP) y los relevadores de protección para así brindas la protección contra sobrecorrientes. La mayoría de los relevadores modernos son multifuncionales, donde la protección depende de números que se relacionan con las funciones que estos llevan a cabo. Estos números se basan en las normas IEEE reconocidas a nivel mundial, tal como se define en la Norma IEEE C37.2. Una muestra de los pocos números de función protectora que se utilizan en esta norma se muestran en la Tabla 1.

    Tabla 1: Estos números se basan en las normas IEEE reconocidas a nivel mundial, tal como se define en la Norma IEEE C37.2. Atención: JBA Consulting Engineers Figura 3: El plano de una sola línea muestra la aplicación de los números de dispositivos que se encuentran en la Norma IEEE C37.2. Atención: JBA Consulting Engineers

    Existen varios factores influyen en los ajustes de la protección de los transformadores, por ejemplo:

    • La protección contra sobrecorrientes que se necesita para los transformadores se considera como una protección sólo para el transformador. Dicha protección contra sobrecorrientes no necesariamente protege a los conductores primarios y secundarios o al equipo conectado con el lado secundario del transformador.
    • Es importante notar que el dispositivo de sobrecorriente en el lado primario debe medirse con base en los valores kVA de los transformadores y con base en la carga del secundario conectado al transformador.
    • Antes de determinar el tamaño o los valores de los dispositivos de sobrecorriente, observe que las Notas 1 y 2 de la Tabla 450-3(A) de NEC permite que la valoración o los ajustes de los OPD primarios y/o secundarios incrementen al siguiente parámetro o ajuste más alto, en caso que el valor calculado no corresponda con un valor o parámetro estándar.
    • Cuando el voltaje se enciende para energizar un transformador, por lo regular, el núcleo de éste se satura, lo que da como resultado en un gran influjo de las corrientes. Con el fin de colocar este influjo de las corrientes, regularmente, se elije la protección contra sobrecorrientes con los valores de tiempo que puede soportar la corriente, que sean al menos 12 veces la corriente valorada para el primario del transformador para 0.1 y 25 veces para 0.01s.
    • Los ingenieros deben asegurarse que los ajustes del esquema de protección estén por debajo de las curvas de daño por corto circuito, tal como se define en ANSI C57.109 para los transformadores de aislamiento en aceite ANSI C57.12.49 para los transformadores de tipo seco.
    • Las curvas del relevador de protección no pueden utilizarse de la misma manera que las curvas de de los interruptores de circuito de bajo voltaje o que las curvas de los fusibles. La curva del relevador de protección sólo representa la acción de un relevador calibrado y no cuenta para las acciones del interruptor de circuito asociado o para la exactitud del los transformadores actuales que conectan al relevador con el circuito monitoreado.

    La curva representa la operación ideal del relevador y las tolerancias de fábrica no se reflejan en la curva. Para coordinar un relevador de sobrecorriente con dispositivos de protección, debe incorporarse un margen de tiempo mínimo entre las curvas. Norma 242 IEEE, Tabla 15.1, los márgenes de tiempo del relevador recomendados están en la Tabla 2.

    Fusibles y conmutador

    Los fusibles clasificación E, por lo regular, se utilizan en los interruptores de los fusibles que fungen como transformadores. El propósito del fusible es permitir el uso pleno del transformador y proteger al transformador y a los cables contra fallas. Para lograr esto, la curva del fusible debe encontrarse a la derecha del punto de influjo del transformador y a la izquierda de la curva de daño del cable. Por lo general, el fusible cruzará la curva de daño del transformador en la región de largo tiempo (región de sobrecorriente). El dispositivo principal del secundario proporciona la protección sobrecorriente para el circuito. Los valores de los fusibles "E" deben ser siempre mayores que el amperaje a plena carga (FLA, por sus siglas en inglés) del transformador. La curva de daño del cable debe encontrarse por encima de la corriente de falla máxima a 0.01 s,

    Para los transformadores de 3 MVA y menos, los esquemas de protección sobrecorriente estándar para los interruptores del conmutadore de MV deben incluir un relevador de combinación instantáneo y de sobrecorriente (dispositivo 50/51). Para transformadores mayores de 5 MVA, los esquemas de protección se vuelven en más complejos. Los números del dispositivo IEEE que se encuentran en IEEE C37.2 se utilizan para diseñar el esquema de protección. Los interruptores MV del transformador pueden incluir lo números de dispositivos de protección siguientes:

    En los sistemas de MV, los transformadores de corrientes (TC) conectan a los dispositivos de protección o de medición. Los TC son una interfaz entre el dispositivo electrónico y el sistema primario de MV. El voltaje del sistema primario del MV y los niveles de corriente son peligrosamente altos y no pueden conectarse de manera directa a un relevador o medidor. Los TC ofrecen aislamiento del alto voltaje del cable y los niveles de corriente, y traducen la corriente primaria en un nivel de señal que puede manejarse por medio de relevadores/medidores delicados. Por lo regular, la corriente secundaria valorada es de 5 amp; sin embargo, tampoco son raras las corriente más bajas, tal como 1 amp.

    Se espera que los TC de los relevadores de protección liberen alrededor de 5 amperes o menos bajo condiciones de carga recomendables. La corriente aumentará en caso que ocurra una falla. De acuerdo con ANSI C57.13, el TC de protección secundario, normal debe soportar hasta 20 veces, en un periodo corto, las veces que soportaría bajo condiciones de falla. Por consiguiente, los TC de protección son lo suficientemente apropiados para arrancar un juego de instrumentos de indicación pero no serán lo suficientemente buenos para medir la energía total de recuperación.

    Otros factores a considerar son los siguientes:

    • Los TC de protección deben soportar del 150% al 200% del amperaje a plena carga (FLA, por sus siglas en inglés).
    • A diferencia de los interruptores y fusibles de voltaje, los interruptores de circuito de MV no tienen una ruta fija. Los ajustes no corresponden a aquéllos enlistados como estándar en NEC [NEC Article 240-6(a)].
    • La sobrecorriente del dispositivo 51 debe ajustarse del 100% al 140% de FLA y por debajo de la ampacidad del cable del transformador.
    • El retraso debe ajustarse por debajo de la curva de daño del transformador y por encima del dispositivo del interruptor principal del secundario.
    • El arranque instantáneo del dispositivo 50 debe ajustarse por debajo de las curvas de daño del transformador, por encima de la curva de daño del cable a 0.1, y a aproximadamente el 200% del influjo. Además, el ingeniero debe asegurarse de que el parámetro no exceda la corriente de falla máxima disponible o el arranque instantáneo será en vano.
    • Para los alimentadores de emergencia y los de reserva requeridos por la ley, las Secciones 700.26 y 701.26 de NEC solicitan que el dispositivo de falla a tierra sólo sea una alarma. Para los sistemas MV, esto puede representar consecuencias significativamente negativas. La instalación del resistor neutral a tierra debe considerarse para limitar las corrientes de falla a tierra a un nivel seguro para los sistemas de generación de MV.

    Conmutador de bajo voltaje

    Los esquemas de protección estándar para el secundario del transformador incluyen un interruptor de circuito equipado con funciones a largo plazo, corto plazo, instantáneas y de fallas a tierra.

    Las Secciones 215.10, 230-95 y 240.13 de NEC requieren protección de fallas a tierra para los sistemas de estrella a tierra de más de 150 V a circuitos a tierra, que incluyen sistemas conectados "estrella" de 277/480 V. El relevador de falla a tierra debe configurarse para captar las fallas a tierra que sean de 1200 amperes o más y para activar el interruptor principal o el de circuito para desconectar todos los conductores no puestos a tierra del circuito con fallas, a un máximo de 1 s.

    Para los hospitales, la subestación que alimenta al sistema de distribución, por lo general, es de transformadores primarios de MV de aislamiento en aceite a secundarios de 480/277 V conectados a los conmutadores de servicio con interruptores principales y del alimentador. Los conmutadores deben equiparse con la detección de fallas a tierra de dos niveles de acuerdo con lo estipulado en la Sección 517.17(B) de NEC. La Sección 517.17(B) requiere que tanto el interruptor principal como el primer juego de OPD aguas abajo del interruptor principal cuenten con sistema de las fallas puestas a tierra. Además, la protección de fallas a tierra será coordinada de manera selectiva por lo indicado en la Sección 517.17(C) de NEC.

    Para los alimentadores de emergencia y los de reserva requeridos por la ley, las Secciones 700.26 y 701.26 de NEC solicitan que el dispositivo de falla a tierra sólo sea una alarma.

    Para los circuitos laterales normales, aguas arriba de un interruptor de transferencia automática (ATS, por sus siglas en inglés), se requiere la protección contra falla a tierra conforme a lo indicado en la Sección 230.95 de NEC.

    La configuración que se sugiere es la siguiente:

    • Dispositivo 51 o función de arranque a largo plazo (LTPU, por sus siglas en inglés): Se recomienda de un 100% a un 125% del FLA del transformador y configurar por debajo de las curvas de daño del transformador y del cable.
    • Retraso largo (LTD, por sus siglas en inglés), STPU y retraso corto (STD, por sus siglas en inglés): Configurar para coordinar con los dispositivos aguas abajo y por encima de la curva de daño del transformador.
    • Dispositivo 50 o instantáneo: Configurar por debajo de la curva de daño y por encima de la corriente de falla máxima en la curva limpia del total del interruptor.

    Protección del sistema de distribución de MV

    Con la protección para los transformadores de MV, el siguiente paso es conectar varios transformadores a un sistema de distribución y a un sistema de instalaciones. En el diseño de distribución, estos tres objetivos siguen siendo aplicables:

    1. Seguridad
    2. Protección del equipo
    3. Selectividad.

    Por ejemplo, si se consideran los requisitos de NEC para la protección contra sobrecorrientes de los transformadores sin consultar las normas aplicables ni los requisitos del código, el sistema puede encargarse de la protección de los transformadores, mientras que otros elementos del sistema de distribución (tales como los alimentadores que conectan al transformador(es) con el sistema de distribución) pueden no estar protegidos de acuerdo con lo indicado en el código.

    La Sección 450 se centra y limita a los requisitos para el transformador. La ampacidad de los conductores de MV que alimentan al transformador y que se extienden del mismo, así como la protección contra sobrecorrientes requerida para los conductores y el equipo queda cubiertas de conformidad con lo siguiente:

    • La sección 240-100 y 240-101 de NEC aplica a la protección contra sobrecorrientes de MV mayores de 600 V para el alimentador y el circuito de derivación.
    • NEC 310.60(C) y las Tablas 310.77 mediante una lista de 310 de la ampacidad de conductores MV de 2001 a 35000 v.
    • La Sección 210.9(B) de NEC requiere que la ampacidad de los conductores del circuito de derivación no sea menor al 125% del la carga potencial del diseño.
    • La Sección 493.30 de NEC indica que debe incluirse un conmutador metálico.
    • El Artículo II de NEC (de la Sección 300.31 a la 300.50) cubre los métodos de cableado de MV.
    • La Sección 310.10 de NEC requiere un cable recubierto de MV para la distribución de más de 2000 V.
    • La Sección 490.46 de NEC indica que el interruptor de circuito de MV debe poder bloquearse o en caso de haberse instalado en un mecanismo extraíble, éste debe poder bloquearse.
    • Del párrafo (1) al (3) de la Sección 215.2(B) de NEC se habla del tamaño de los conductores de circuito puestos a tierra.
    • La Sección 490 de NEC cubre el equipo de más de un voltaje nominal de 600 V.

    El arranque en frío se define de la manera siguiente: Cuando un servicio se ha visto interrumpido por un alimentador de distribución durante 20 minutos o más, puede ser extremadamente difícil volver a energizar la carga sin provocar que los relevadores o fusibles de protección se accionen. La razón de esto es el flujo de un influjo excepcionalmente alto de las corrientes que resulta de la pérdida de la diversidad de cargas. El alto influjo de las corriente es provocado por lo siguiente:

    • Magnetizar en influjo de las corrientes a los transformadores
    • Corriente de arranque del motor
    • Corriente para aumentar la temperatura de las lámparas y de los elementos de la calefacción.

    Figura 6: Este transformador de aislamiento en aceite de 2.47 kV a 480 V montado requiere protección contra fallas a tierra y contra sobrecorrientes básica primaria de MV y secundaria de LV. Atención: JBA Consulting Engineers

    De conformidad con la Sección 240.101 de NEC, el índice continuo de amperes de un fusible no deberá exceder tres veces la ampacidad de los conductores, y el índice continuo de amperes de un interruptor no deberá exceder seis veces la ampacidad del conductor.

    En la industria, la configuración del relevador del alimentador de 200 a 400% de la carga completa se considera razonable. Sin embargo, a pesar de que se toman precauciones, esta configuración puede ser muy baja para evitar las fallas del relevador en el influjo seguido de un apagón. El incrementar esta configuración puede restringir la cobertura del alimentador o evitar una configuración razonable de los OPD aguas arriba o los fusibles del lado de la fuente y los relevadores de protección. Una solución satisfactoria a este problema es el uso de curvas del relevador extremadamente inversas. La configuración extremadamente inversa es superior ya que se alcanza un tiempo de corrección de fallas sustancialmente más rápido, en los niveles de corriente más altos.

    Configurar una sensibilidad del relevador a tierra para incluir a todas las fallas pero no accionarla en corrientes de carga pesada o influjo no es tan difícil como lo es para los relevadores de fase. Si la carga trifásica se encuentre equilibrada, las corrientes a tierra normales son cernas a cero. Por lo tanto, el relevador a tierra no debe verse afectado por las corrientes de carga. Para los sistemas de distribución equilibrados, el relevador a tierra puede configurarse hasta en un 25% de la corriente de carga. Si las cargas trifásicas se encuentran desequilibradas, entonces, el relevador a tierra deberá configurarse en un 50% de la corriente de carga.

    Figura 6: Un conmutador de servicio de 12.47 kV cuenta con secciones de conexión en sus instalaciones, medios visibles de desconexión, medición y sección de fusibles. Atención: JBA Consulting Engineers

    Bajo condiciones de falla, la corriente de falla puede exceder fácilmente la capacidad del cable protegido o de la puesta a tierra neutral concéntrica; por lo tanto, se necesita un cable a tierra aparte. Por ejemplo, Southwire Co. ha publicado que la capacidad de fallas del los cables protegidos es de 1893 amperes a un traslape del 12.5%, 2045 amperes a un 25%. La mayoría de las corrientes de corto circuito del sistema de distribución de MV a tierra pueden soportar por encima de los 10,000 amperes. Además, la sección 215.2(B) de NEC requiere una puesta a tierra por separado para manejar las corrientes de corto circuito. Se requiere que el conductor a tierra se configure de acuerdo con lo dispuesto en la Tabla 205.1222.

    Para los esquemas de coordinación presentados en los ejemplos, no se traslapó el interruptor de las curvas de arranque de los fusibles. En la práctica, puede haber esquemas de protección no selectivos que se traslapen. En los casos en que los dispositivos de protección redundantes se ven involucrados, la operación del interruptor no selectivo es de poca o nula importancia. Los dispositivos de protección son redundantes-sin importar el dispositivo que se abra, ocurre el mismo apagón. Con el fin de mejorar la protección y coordinación del sistema en general, los dispositivos redundantes han sido configurados para traslaparse de manera intencional (por ejemplo, coordinar la no selectividad con uno y otro).

    Para los sistemas de MV que son más complicados, debe consultarse a un ingeniero en protección del sistema.


    Leslie Fernandez es el ingeniero encargada del proyecto de electricidad en JBA Consulting Engineers. Cuenta con más de 28 años de experiencia en el campo, así como en ingeniería y diseño, que incluye sistemas de distribución de MV para la milicia, minería, túneles, fabricación de alimentos, instalaciones de producción de energía, instalaciones de punta y casino en resorts.

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