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 CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012 TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS GENERALIDADES DE LOS CORTOCIRCUITOS  EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS I  NTRODUCCIÓN En el diseño de las instalaciones eléctricas, se deben considerar no sólo las corrientes nominales de servicio, sino también las sobrecorrientes debidas a las sobrecargas y a los cortocircuitos. El cortocircuito se define como una conexión de relativamente baja resistencia o impedancia, entre dos o más puntos de un circuito que están normalmente a tensiones diferentes. Las corrientes de cortocircuitos se caracterizan por un incremento prácticamente instantáneo y varias veces superior a la corriente nominal, en contraste con las de una sobrecarga que se caracteriza por un incremento mantenido en un intervalo de tiempo y algo mayor a la corriente nominal. Cuando en una red de energía se produce un fallo, la corriente que circula viene determinada por la fuerza electromotriz de las máquinas de la red, por sus impedancias y por las impedancias de la red entre las máquinas y el fallo. Las corrientes de cortocircuito son muy superiores a las corrientes de carga en condiciones normales de servicio, y  producen esfuerzos térmicos y electrodinámicos muy importantes sobre los distintos componentes de las instalaciones,  pudiendo provocar daños irreparab les sobre los componentes de las instala ciones sino son eliminadas rápidam ente. Por lo tanto el conocimiento de las mismas, en los distintos puntos de la instalación, será indispensable para el diseño de los distintos componentes como ser: barras, cables, dispositivos de maniobra y protección, etc. Para el diseño de una instalación y elegir adecuadamente los dispositivos de protección debemos conocer las corrientes de cortocircuito máximas y mínimas en los distintos niveles. Para establecer la magnitud de la corriente de cortocircuito debemos considerar cuatro factor importantes, a saber: Generación Configuración de la red Tipo de falla Resistencia de falla A partir de considerar distintos valores a cada uno de estos ítem mencionados, podemos obtener todos los valores  posibles de la corriente de corto circuito, desde su valor máximo hasta su valor mínimo. Particularmente son de mayor importancia obtener estos dos últimos ya que establecen condiciones de diseño y regulación en los distintos elementos que componen una instalación eléctrica. Por ello definiremos: Corrientes de cortocircuito máximas: Son las corrientes de cortocircuito que se producen cuando existe mayor generación conectada, con la configuración de red que presente menor impedancia, con el eor del tipo de falla y con resistencia de falla nula. Generalmente estas corrientes corresponden a un cortocircuito en los  bornes de salida del dispositivo de protección, considerando la configuración de la red y al tipo de cortocircuito de mayor aporte. En general, en las instalaciones de baja tensión el tipo de cortocircuito de mayor aporte es el trifásico. Estas corrientes se utilizan para determinar: o El poder de ruptura - PdC- de los interruptores automáticos. o El poder de cierre de los aparatos. 1 o La solicitación electrodinámica de conductores y aparamenta. 2 Corri entes de cortocir cuito mínimas: Son las corrientes de cortocircuito que se producen cuando existe la menor cantidad de unidades de generación conectada, con la configuración de red que presente mayor impedancia intercalada entre la generación y la falla, con el más benévolo del tipo de falla y con resistencia de falla máxima. Estas corrientes corresponden a un cortocircuito en el extremo del circuito protegido, considerando la configuración de la red y al tipo de cortocircuito de menor aporte. En las instalaciones de  baja tensión los tipos de cortocircuito de menor aporte son el fase-neutro (circuitos con neutro) o entre dos fases (circuitos sin neutro). Estas corrientes se utilizan para determinar: o El ajuste de los dispositivos de protección para la protección frente al cortocircuito. o Si es posible la utilización de los interruptores automáticos o de los fusibles para la protección de las  personas, esenc ialmente en el caso de los sistema s de distribución TN o lT. 3 Rec ord emo s que en todos los ca sos, cua lqu ier a que sea la co rri ente de corto cir cui to (de mínimo a ximo), la  protección debe eliminar el defecto en un tie mpo compatible con el choque térmico que puede so portar el elemento a proteger. O RÍGENES  DE  LOS CORTOCIRCUITOS Los cortocircuitos tienen distintos orígenes: Por dete rioro o perfo ración del ais lamiento: debido a cale ntamientos exce sivos prolonga dos, amb iente corrosivo o envejecimiento natural. 1 Estos temas serán abarca dos en el capítulo VI y VII, Control de potencia e Interruptores 2 Se verá con detalle en el capítulo IV, canalizacion es eléctricas 3 Este tema se verá en detalle en el capítulo III, Puesta a tierra y protección de personas. Máquinas e Instalaciones Eléctricas Capítulo VII Página 1 de 38

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

GENERALIDADES DE LOS CORTOCIRCUITOS EN LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS

I NTRODUCCIÓN 

En el diseño de las instalaciones eléctricas, se deben considerar no sólo las corrientes nominales de servicio, sinotambién las sobrecorrientes debidas a las sobrecargas y a los cortocircuitos.

El cortocircuito se define como una conexión de relativamente baja resistencia o impedancia, entre dos o más puntos de

un circuito que están normalmente a tensiones diferentes.Las corrientes de cortocircuitos se caracterizan por un incremento prácticamente instantáneo y varias veces superior a lacorriente nominal, en contraste con las de una sobrecarga que se caracteriza por un incremento mantenido en un intervalo detiempo y algo mayor a la corriente nominal.

Cuando en una red de energía se produce un fallo, la corriente que circula viene determinada por la fuerza electromotrizde las máquinas de la red, por sus impedancias y por las impedancias de la red entre las máquinas y el fallo.

Las corrientes de cortocircuito son muy superiores a las corrientes de carga en condiciones normales de servicio, y producen esfuerzos térmicos y electrodinámicos muy importantes sobre los distintos componentes de las instalaciones, pudiendo provocar daños irreparables sobre los componentes de las instalaciones sino son eliminadas rápidamente.

Por lo tanto el conocimiento de las mismas, en los distintos puntos de la instalación, será indispensable para el diseño delos distintos componentes como ser: barras, cables, dispositivos de maniobra y protección, etc.

Para el diseño de una instalación y elegir adecuadamente los dispositivos de protección debemos conocer las corrientesde cortocircuito máximas y mínimas en los distintos niveles.

Para establecer la magnitud de la corriente de cortocircuito debemos considerar cuatro factor importantes, a saber:• Generación• Configuración de la red• Tipo de falla• Resistencia de falla

A partir de considerar distintos valores a cada uno de estos ítem mencionados, podemos obtener todos los valores posibles de la corriente de cortocircuito, desde su valor máximo hasta su valor mínimo.

Particularmente son de mayor importancia obtener estos dos últimos ya que establecen condiciones de diseño yregulación en los distintos elementos que componen una instalación eléctrica.

Por ello definiremos:• Corrientes de cortocircuito máximas: Son las corrientes de cortocircuito que se producen cuando existe

mayor generación conectada, con la configuración de red que presente menor impedancia, con el eor del tipo

de falla y con resistencia de falla nula. Generalmente estas corrientes corresponden a un cortocircuito en los bornes de salida del dispositivo de protección, considerando la configuración de la red y al tipo decortocircuito de mayor aporte. En general, en las instalaciones de baja tensión el tipo de cortocircuito demayor aporte es el trifásico. Estas corrientes se utilizan para determinar:

o El poder de ruptura - PdC- de los interruptores automáticos.o El poder de cierre de los aparatos.1

o La solicitación electrodinámica de conductores y aparamenta. 2

• Corrientes de cortocircuito mínimas: Son las corrientes de cortocircuito que se producen cuando existe lamenor cantidad de unidades de generación conectada, con la configuración de red que presente mayor impedancia intercalada entre la generación y la falla, con el más benévolo del tipo de falla y con resistenciade falla máxima. Estas corrientes corresponden a un cortocircuito en el extremo del circuito protegido,considerando la configuración de la red y al tipo de cortocircuito de menor aporte. En las instalaciones de

 baja tensión los tipos de cortocircuito de menor aporte son el fase-neutro (circuitos con neutro) o entre dos

fases (circuitos sin neutro). Estas corrientes se utilizan para determinar:o El ajuste de los dispositivos de protección para la protección frente al cortocircuito.o Si es posible la utilización de los interruptores automáticos o de los fusibles para la protección de las

 personas, esencialmente en el caso de los sistemas de distribución TN o lT.3

Recordemos que en todos los casos, cualquiera que sea la corriente de cortocircuito (de mínimo a máximo), la protección debe eliminar el defecto en un tiempo compatible con el choque térmico que puede soportar el elemento a proteger.

ORÍGENES  DE   LOS  CORTOCIRCUITOS

Los cortocircuitos tienen distintos orígenes:• Por deterioro o perforación del aislamiento: debido a calentamientos excesivos prolongados, ambiente

corrosivo o envejecimiento natural.

1 Estos temas serán abarcados en el capítulo VI y VII, Control de potencia e Interruptores2 Se verá con detalle en el capítulo IV, canalizaciones eléctricas3 Este tema se verá en detalle en el capítulo III, Puesta a tierra y protección de personas.

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• Por problemas mecánicos: rotura de conductores o aisladores por objetos extraños o animales, ramas deárboles en líneas aéreas e impactos en cables subterráneos.

• Por sobretensiones debido a descargas atmosféricas, maniobras o a defectos.• Por factores humanos: falsas maniobras, sustitución inadecuada de materiales, etc.• Otras causas: vandalismos, incendios, inundaciones, etc.

T IPOS  DE  CORTOCIRCUITOSLos tipos de cortocircuitos que estudiaremos en este curso son los siguientes:• cortocircuito trifásico equilibrado.• cortocircuito entre dos fases aislado (sin conexión a tierra).• cortocircuito monofásico fase-tierra y fase-neutro.

En la figura 2.1 podemos ver la conexión para cada una de las posibilidades mencionadas.

 Figura 2.1: Los diferentes cortocircuitos y sus corrientes. El sentido de las flechas indicando las

corrientes es arbitrario (CEI 909).

Los porcentajes promedios de ocurrencia de cada tipo de cortocircuito en una instalación, se indican en la tablasiguiente:

Tip

 

os de cortocircuitos Incidencia (%)

Monofásicos 80Bifásicos 15Trifásicos 5

CONSECUENCIAS  DE  LOS CORTOCIRCUITOSLas consecuencias de los cortocircuitos son variables dependiendo de la naturaleza y duración de los defectos, el punto

de la instalación afectado y la magnitud de las corrientes.En general podemos considerar algunos de los siguientes efectos:

• En el punto de defecto: la presencia de arcos con deterioro de los aislantes, fusión de los conductores, principio de incendio y riesgo para las personas.

• Para el circuito o equipo defectuoso:o Esfuerzos electrodinámicos, con deformación de los juegos de barras, deslambramiento de los

cables, rotura de aisladores, averías en bobinados de transformadores o máquinas eléctricasrotativas.

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o Esfuerzo térmicos, con sobrecalentamientos con riesgo de deterioros de los aislantes.o Para el resto de la instalación: disminución de la tensión durante el tiempo de eliminación del

defecto (en BT 10 a 100 ms), puesta fuera de servicio de una parte de la instalación, perturbacionesen los circuitos de control y comunicaciones.

Los cortocircuitos presentan fundamentalmente efectos térmicos y electrodinámicos. Los efectos térmicos dependen dela energía liberada por efecto Joule y vienen determinados por la expresión4:

El esfuerzo electrodinámico, entre conductores paralelos y rectilíneos separados una distancia d y recorridos por unacorriente I, viene determinado por la Ley de Biot y Savart4:

En el caso de una corriente alterna, la fuerza máxima entre conductores será proporcional al cuadrado de la corrientemáxima de cortocircuito4:

4 Se verá con detalle en el capí

 

tulo IV, canalizaciones eléctricasMáquinas e Instalaciones Eléctricas Capítulo VII

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ESTABLECIMIENTO DE LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

 M ODELO  DEL CORTOCIRCUITOAnalizaremos un sistema simple compuesto por una fuente, una canalización eléctrica y una carga pasiva, según el

diagrama y el modelo equivalente que se representan a continuación (figura 2.2):

FUENTE CANALIZACION CARGA

E

ICCRG XG RC XC

RS

XS

ICARGA

ICC

ICARGA

FUENTE CANALIZACION CARGA

Figura 2.2 Modelado de un cortocircuito

Agrupando las impedancias y tomando en un instante dado t0 se establece corriente (figura 2.3).

E

i(t)

ZSC

ZSe(t)

LR

RS

LS

Figura 2.3 Esquema simplificado de una red

Se puede suponer que la fuente genera una tensión nula hasta el instante t 0, y luego la tensión asume cierto valor dada por la siguiente ecuación:

)()( α +⋅= wt  sen E t e MAX 

También puede suponerse que en el instante t0 una llave se cierra y conecta la fuente aplicando así cierta tensión alcircuito. Para este sencillo pero completo circuito puede escribirse la ecuación diferencial:

i Lt i Rt e

∂∂

+⋅= )()(

Despejando t ∂ , se tiene:

)()( t i Rt e

i Lt 

⋅−∂⋅

=∂

Integrando ambos miembros, se tiene:

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∫ ∫  −∂⋅

=∂t i

t  Rit e

i Lt 

0 0)()(

Resolviendo las integrales, se obtiene:

( ) Cte Rt it e Ln R

 Lt  +⋅−⋅−= )()(

Despejando la corriente, obtenemos:

 L

 Rt 

e R

t e

 R

t et i

−⋅−=

)()()(

   

  

 −•+⋅=

− L

 Rt 

et  sen R

 Emáxt i 1)()( α ω 

Que es la solución de esta ecuación diferencial y nos describe el valor de la corriente en el tiempo como suma de unvalor senoidal puro y otra de atenuación exponencial. El primero representa el régimen permanente y otro el régimentransitorio.

CORTOCIRCUITO EN  CORRIENTE  CONTINUA (CIRCUITO RL)Si la tensión es constante (corriente continua), y se aplica en un instante cualquiera (t = 0), el problema es muy simple

de resolver, como se ve en las figura 2.4 se deben conocer además las condiciones iniciales, por ejemplo antes de la aplicaciónde la tensión la corriente era nula (i = 0)5.

   

  

 −•=

− L

 Rt 

e R

 E t i 1)(

Figura 2.4 Cortocircuito en corriente contínuaLa expresión muestra la corriente en función del tiempo y se pueden observar sus componentes permanente y

transitoria. La corriente permanente es la que se presenta cuando se ha alcanzado la condición de régimen, la transitoria encambio acompaña la del valor inicial hasta alcanzar el permanente.

Acabamos de estudiar el cortocircuito en corriente continua para el caso en que la tensión no se modifique aconsecuencia de la corriente de cortocircuito. El circuito estudiado es muy simple, por complejo que sea el problema essiempre posible llevarlo a ese grado de simplicidad aplicando el teorema de Thevenin. (CEI 909)

CORTOCIRCUITO EN  CORRIENTE   ALTERNA

INTRODUCCIÓNPara este caso debemos tomar en cuenta dos situaciones diferentes:

5 Considera una tensión de 1 volt, una resistencia de 1 ohm y una inductancia de 20 mHy. La corriente permanente parael caso de un sistema puramente resistivo será de 1 Amper.-

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•  Defecto alejado de los generadores: En este caso la reacción de inducido de los generadores sincrónicos6, quese modeliza con la variación dela reactancia del mismo, no es significativa, ya que la impedancia intercaladaes importante y por ello no la consideraremos.

•  Defecto cercano a la fuente: Cuando el defecto se produce muy cerca del alternador que alimenta el circuitoafectado, la variación de la impedancia del alternador, que ahora pasará a ser preponderante, provoca laamortiguación de la corriente de cortocircuito

DEFECTO ALEJADO DE LA FUENTE, CASO GENERALSupongamos tener condiciones más reales. Tendremos que la tensión puede tener cualquier valor instantáneo cuando se

 produce un cortocircuito y que además existe corriente de carga. Aplicando el teorema de Thevenin podemos decir quesiempre podremos reducir cualquier circuito al mostrado en la figura 2.3. Donde:

ZSC es la impedancia equivalente de Thevenin vista desde los terminales de la carga.ϕ  j

SC SC  e Z  Z  ⋅=

ZS es la impedancia de carga.γ   j

S S  e Z  Z  ⋅=

e(t) es la tensión equivalente de Thevenin de todos los generadores conectados y que alimentan la fallaSupongamos que la tensión del generador de Thevenin es sinusoidal, y su amplitud se mantiene en el tiempo. En este

caso consideraremos que el cortocircuito se produce cuando la tensión toma cualquier valor y ya no cero como en el puntoinicial. Luego la tensión vale (figura 2.5):

)()(α +⋅=

wt  sen E t eMAX 

Figura 2.5 Variación temporal de la tensiónDe esto podemos deducir que la corriente de cortocircuito inicial es la corriente de carga (ver figura 2.3), que vale:

)(0 γ  ϕ α  −−⋅+

= sen Z  Z 

 E  I 

S SC 

 MÁX 

Donde: ϕ es el ángulo de la impedancia ZSC y γ  el ángulo de la impedancia ZS.Como podemos observar el ángulo α es el ángulo de la tensión cuando se produce el cortocircuito, es decir en t=0La ecuación diferencial que teníamos es:

i Lt i Rt e

∂∂

+⋅= )()(

Recordemos que la solución de la ecuación diferencial lineal de primer orden 7 se obtiene como suma de la solución dela ecuación homogénea (igualada a cero) y una integral particular (de la completa, igualada a la función de excitación e(t) yque será similar a esta), otra forma de resolver las ecuaciones diferenciales es mediante la transformada de Laplace. De estotenemos que:

)()()()(

)(22

ϕ α γ  ϕ φ ϕ α  −⋅⋅+⋅−−⋅+

+−+⋅+

=−−

 sene Z 

 E e sen

 Z  Z 

 E wt  sen

wL R

 E t i R

 Lt 

SC 

 MÁX  R

 Lt 

S SC 

 MÁX 

SC SC 

 MÁX 

Donde: ϕ es el ángulo de la impedancia ZSC y γ  el ángulo de la impedancia ZS.

Observando la solución obtenida se logran distinguir la corriente permanente y transitoria como ya se ha visto antes. Lacorriente permanente puede calcularse conociendo los parámetros del circuito, la transitoria en cambio depende del instante deinicio de la corriente, y del estado previo.

Graficando las corrientes obtenidas por separado podemos ver su evolución en el tiempo:

La onda senoidal permanente (figura 2.6):

6 Ver apuntes de Máquinas Eléctricas II7 Ver apuntes de Análisis Matemático II

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Figura 2.6 Corriente permanente de cortocircuitoLa onda producida por la corriente de carga (figura 2.7):

Figura 2.7 Corriente aperiódica de la corriente de cargaLa aperiódica producida por el efecto del cortocircuito (figura 2.8):

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Figura 2.8 Corriente aperiódica de cortocircuitoSi conjugamos estas tres corrientes obtenemos la corriente de cortocircuito en el tiempo (figura 2.9):

Figura 2.9 Corriente de cortocircuito completaAnalicemos ahora algunos puntos de importancia: La relación entre la inductancia y la resistencia de la línea de alimentación tiene en cuenta el proceso de

atenuación de las aperiódicas. En general la inductancia de las líneas es muy superior a la resistencia, con lo

cual el ángulo º90≈ϕ  .

Además la corriente de carga IC, que establece la corriente inicial, es generalmente muchísimo menor que lacorriente de cortocircuito permanente, y por ello podemos despreciarla.

De esta manera la ecuación general queda reducida a:

)º90()º90()( −⋅⋅⋅

+−+⋅=−

α α  sene Z 

 E wt  sen

 Z 

 E t i R

 Lt 

SC 

 MÁX 

SC 

 MÁX 

y reemplazando el seno por el coseno, tenemos:

)cos()cos()( α α  ⋅⋅−+⋅= −  R

 L

SC 

 MÁX 

SC 

 MÁX  e Z 

 E wt  Z 

 E t i

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De esta ecuación podemos ver que existen dos casos que deberemos analizar con cuidado: Uno de ellos es que la fallase produzca cuando la tensión pasa por cero y otra cuando la misma acontece cuando la tensión pasa por un máximo.

CORTOCIRCUITO ALEJADO DE LA FUENTE. CASO DE TENSIÓN CEROSi la falla se produce cuando la tensión pasa por cero, tenemos que:

º00)0()0( =⇒=+⋅== α α  sen E t e MÁX 

De lo anterior se desprende que la ecuación anterior queda: R

 Lt 

SC 

 MÁX 

SC 

 MÁX  e Z 

 E  )wt cos( 

 Z 

 E  )t ( i

−⋅−⋅=

La relación  L R es muy importante, ya que maneja el valor máximo que tomará esta aperiódica y por ello la corriente:

Veamos un caso de L muy grande (figura 2.10):

Figura 2.10 Corriente de cortocircuito cuando la tensión pasa por cero (gran inductancia)Si ahora hacemos más pequeña la inductancia se tiene (figura 2.11):

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Figura 2.11 Corriente de cortocircuito cuando la tensión pasa por cero (inductancia mínima)Vemos que el valor tomado por la corriente es menor, en relación con la que tomaría en caso de una senoidal pura. En el

límite el máximo valor a tomar por la corriente, en su valor inicial es de:

SC 

 MÁX  MÁX   Z 

 E 2i ⋅=

CORTOCIRCUITO ALEJADO DE LA FUENTE. CASO DE TENSIÓN MÁXIMAEn este caso se tiene:

º90)0()0( =⇒=+⋅== α α  MÁX  MÁX 

E  sen E t ePara el caso de que el ángulo sea noventa grados, la ecuación anterior se transforma en:

 )º 90º 90(  sene Z 

 E  )º 90º 90wt (  sen

 Z 

 E  )t ( i R

 Lt 

SC 

 MÁX 

SC 

 MÁX  −⋅⋅⋅

+−+⋅=−

es decir:

 )wt (  sen Z 

 E  )t ( i

SC 

 MÁX  ⋅=

En este caso no existe aperiódica, con lo cual tendremos solamente el aporte de la corriente permanente y será el casomás benigno. Es decir (figura 2.12):

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Figura 2.12 Corriente de cortocircuito cuando la tensión pasa por máximo

OBTENCIÓN DEL FACTOR “K”

El factor  t  L

 R

e⋅ es tanto más elevado cuanto más débil es la amortiguación de la componente unidireccional. Es pues

necesario calcular   pi  para determinar el poder de cierre de los interruptores automáticos 3 a instalar y también para definir los

esfuerzos electrodinámicos, que deberá soportar el conjunto de la instalación.

Su valor se deduce del valor eficaz de la corriente de cortocircuito simétrico por la relación:a p i 2k i  ⋅

El coeficiente k viene dado por la curva de la figura 2.13 en función de la relación L

 Ró X 

 R .

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

Figura 2.13 Variación del factor “k” en función de la relación R/X.

DEFECTO EN LA PROXIMIDAD DE LOS ALTERNADORESCuando el defecto se produce en la proximidad inmediata del alternador que alimenta el circuito interesado, la

variación de la impedancia, entonces predominante del alternador, provoca una amortiguación de la corriente de cortocircuito8.En efecto, en este caso, el régimen transitorio de establecimiento de la corriente se complica por la variación de la f.e.m.

(fuerza electromotriz) resultante del cortocircuito. Como simplificación, consideramos el valor de f.e.m. constante pero la

reactancia interna de la máquina como variable. Esta reactancia evoluciona según tres estados o períodos;• Subtransitorio: presente durante los 10 ó 20 primeros milisegundos del defecto.9

• Transitorio: a continuación del anterior y prolongándose hasta 500 milisegundos.10

• Permanente o reactancia síncrona.11

A tener en cuenta que esta reactancia, según el orden presentado, va tomando, a cada periodo, un valor mayor: lareactancia subtransitoria es inferior a la transitoria y ésta inferior a la permanente. Esta intervención sucesiva de las tresreactancias provoca una disminución progresiva de cortocircuito, intensidad que es la suma de cuatro componentes en el casode existir aperiódica. Las corrientes amortiguadas tienen la amplitud y duración mostradas en las figuras 14 a 16.

8 Ver apuntes de Máquinas eléctricas II9 Período subtransitorio: Este es el período inicial de la corriente de cortocircuito. El principal responsable de este

 período es el arrollamiento amortiguador que se instala en la cabeza de los polos del rotor de la máquina síncrona. En régimen permanente el generador gira a la velocidad de sincronismo y no existe inducción sobre este arrollamiento, pero en elcortocircuito debido a las variaciones entre el campo rotor y el del estator, se inducen corrientes sobre este arrollamiento,

generándose un campo que actúa como freno dando mayor estabilidad al generador y como contrapartida produce elincremento de la corriente de cortocircuito.

 10 Período transitorio: Este período se caracteriza por un decrecimiento más lento de la corriente y durante un intervalo

mayor. El principal responsable de este período es el campo del rotor. Durante el cortocircuito se induce en el bobinado decampo una corriente alterna comportándose el mismo frente a la corriente alterna, como un arrollamiento en cortocircuito,

generando estas corrientes inducidas un campo magnético que provoca este período transitorio.11 Régimen permanente: permanece hasta que sea eliminado el cortocircuito por las protecciones. En el caso del

generador el transitorio de la corriente es más lento y existe una corriente de régimen permanente mantenida por la máquinamotriz y la fuente de excitación del campo.

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Figura 2.14 Corriente del periodo subtransitorio

Figura 2.15 Corriente del periodo transitorio

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Figura 2.16 Corriente del periodo permanente

Al igual que el caso anterior podemos diferenciar dos casos extremos: Cuando la respuesta en puramente senoidal ocuando se da el caso de máxima aperiódica.

• Caso de Máxima aperiódica: Tomando una aperiódica para cada una (figura 2.17) de las reactanciasinvolucradas y sumando sus efectos se tiene:

Figura 2.16 Corrientes aperiódicas

La total para este caso es (figura 2.18):

Figura 2.18 Corriente de cortocircuito con máxima aperiódica

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• Caso de aperiódica nula: En este caso la respuesta es senoidal amortiguada por el cambio de lareactancia. Luego el total es la contribución de solamente las senoidales amortiguadas, es decir (figura 2.-19):

Figura 2.19 Corriente de cortocircuito sin aperiódica

Es de notar la reducción de la reactancia del alternador con mayor rapidez que la componente unidireccional. Estefenómeno puede representar serios problemas de ruptura y de saturación de los circuitos magnéticos ya que la corriente no pasa

 por cero sino después de varios ciclos de la corriente.

DEFINICIONES RESPECTO A LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

• Corriente de cortocircuito prevista: corriente que circularía si el cortocircuito fuera remplazado por unaconexión ideal de impedancia despreciable, sin ninguna modificación de la alimentación.

• Corriente de cortocircuito simétrica inicial (I”k): valor eficaz de la componente simétrica alterna de lacorriente de cortocircuito prevista, en el instante de la aparición del cortocircuito, si la impedancia conservasu valor inicial.

• Valor de cresta de la Corriente de Cortocircuito (I  S  ): valor instantáneo máximo posible de la corriente decortocircuito prevista. Para el cálculo de la corriente de cresta IS, se considera la máxima asimetría posible dela corriente debido a la componente de continua. Como ya fue analizado, esta asimetría dependen de larelación R/X del circuito cortocircuitado y del valor de la tensión en el instante de la falta. A los efectos deldiseño se trabaja con el valor máximo posible y se puede calcular como:

• Corriente de cortocircuito simétrica de corte (Ia): Valor eficaz de un ciclo completo de la componentealterna simétrica de la corriente de cortocircuito prevista, en el instante de la separación de los contactos del

 primer polo del interruptor.• Corriente de cortocircuito permanente (Ik): Valor eficaz de la corriente de cortocircuito que se mantiene tras

la extinción de los fenómenos transitorios.Estos valores pueden observarse en la figura 2.20

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0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.455

0

5

10

15

20

25Corriente Total

 

TIEMPO

      C      O      R      R      I      E      N      T      E

Figura 2.20 Definiciones

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INTRODUCCIÓN A LOS INTERRUPTORES AUTOMÁTICOSEl desarrollo de los sistemas de distribución de energía eléctrica, tanto sea en potencia como en la calidad del servicio,

trajo aparejado una evolución en el diseño y fabricación de los interruptores y todo equipamiento utilizado para el control y protección de dichos sistemas eléctricos.

Esta evolución se produjo en todos los niveles del sistema de distribución de energía eléctrica, es decir desde lageneración pasando por la distribución primaria, distribución secundaría finalizando en la distribución terminal12.

Dentro de esta evolución tenemos a los interruptores automáticos en caja moldeada (MCCB), los cuales combinadoscon la evolución en las técnicas de corte del arco eléctrico en aire, combinan lo compacto y robusto con la limitación decorrientes de cortocircuito.

El hecho de contar con interruptores limitadores, permite diseñar las instalaciones más económicas pues todos losefectos que producen las corrientes de cortocircuito se ven reducidos.

Precisamente en este capítulo se verán las características de estos interruptores y cuales son las ventajas de suutilización en un sistema de distribución de baja tensión.

Como todos los materiales eléctricos, los interruptores automáticos industriales de BT se diseñan, fabrican y verificanconforme a reglas que se agrupan en normas, llamadas “normas de productos”.

Cada país tiene sus propias normas (IRAM en Argentina, UNE en España, UTE en Francia, BS en Inglaterra, VDE enAlemania, etc.) normalmente derivadas de las publicaciones de la CEI (Comisión Electrotécnica Internacional) que le sirven de

referencia.Según esto, actualmente, las normas que se refieren a los interruptores automáticos industriales BT están basadas, en

Europa como en otro gran número de países, en la norma CEI 947-2, que sustituye desde 1989 la norma CEI 157-1, publicadaen 1973 (figura 7.1).

Figura 7.1 Mapa de las influencias normativas.

LA PUBLICACIÓN CEI 947-2Un paso más hacia un estándar internacional La voluntad de conseguir un reconocimiento todavía más internacional delas recomendaciones CEI, así como los avances técnicos y tecnológicos conseguidos por los fabricantes desde 1973 obligaronal subcomité 17B de la CEI a trabajar en la revisión de la publicación 157-1.

Esta obra abarca 7 documentos que constituyen las normas CEI para el conjunto de la aparamenta eléctrica de BTutilizable en el campo industrial:

• CEI 947-1: Reglas generales, 2ª edición, (publicada en septiembre de 1996),• CEI 947-2: Interruptores automáticos, 2ª edición (publicada en diciembre de 1995),• CEI 947-3: Interruptores, seccionadores, interruptores-seccionadores y seccionadores fusibles, (antes,

CEI 408) (publicada en 1990),• CEI 947-4.1: Contactores y arrancadores de motores (antes, CEI 158-1 y CEI 292) (publicada en mayo de

1996),• CEI 947-4.2: Reguladores y arrancadores con semiconductores para motores de corriente alterna (publicada en

1995),

12 Entiéndase como distribución primaria a las redes de media tensión de transporte, la secundaria como redes de mediatensión de 33 y 13,2 Kv de distribución y la terminal como las redes de baja tensión.

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• CEI 947-5.1: Aparatos y elementos de conmutación para circuitos de mando (antes, CEI 337) (publicada enmarzo de 1990),

• CEI 947-5.2: Detectores de proximidad (publicada en julio de 1992),• CEI 947-6.1: Materiales de conexión de transferencia automática (publicada en 1989),• CEI 947-6.2: Aparatos de conexión de mando de protecciones (ACP) (publicada en agosto de 1992),• CEI 947-7.1: Bloques de conexión para conductores de cobre (publicada en 1989).

Toda esta estructura ha permitido homogeneizar el vocabulario y las reglas generales entre las diferentes familias de productos; pero, para determinar la totalidad de las reglas relativas a una categoría de aparatos, es necesario consultar dosdocumentos más:

• Las “Reglas generales” (CEI 947-1) que agrupan las definiciones, prescripciones y ensayos comunes a todo elmaterial industrial BT.

• Las “normas productos” (CEI 947-2 a la 7) que tratan de las prescripciones y ensayos específicos del productoconcreto al que se refieren. Así, los textos que se aplican a los interruptores automáticos BT industriales sonlas CEI 947-1 y CEI 947-2.

Es imprescindible señalar que los nuevos textos de la 947-2, no modifican los criterios fundamentales de elección de uninterruptor automático que afectan a su poder de ruptura y su corriente nominal o asignada.

Sin embargo, proporcionan al usuario mejores garantías en cuanto a calidad y prestaciones, introduciendo ensayos yexigencias adicionales que se aproximan más a las condiciones reales de funcionamiento de un interruptor automático en su

utilización.Esta norma tiene también en cuenta la capacidad de los interruptores automáticos de asegurar, además de sus funcioneshabituales de protección contra sobreintensidades, otras, como el seccionamiento o la protección de personas, añadiéndoles undispositivo diferencial.

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PROTECCIÓN DE UNA RED ELÉCTRICAGENERALIDADES

Una red de distribución eléctrica en servicio normal, puede ser perturbada por muchas causas, como ejemplo podemoscitar algunas:• Perforaciones en los aislantes de las máquinas y cables, producidas por envejecimiento por calentamiento o esfuerzo

mecánico.• Descargas atmosféricas y sobretensiones de maniobra.• Factores humanos, falsas maniobras, etc.• Puesta a tierra intempestiva, casual o por descuido del personal.

Si bien estas son solo algunas de las causas, los efectos que ve la red eléctrica y por la cual debemos disponer losórganos de protección son:

• Cortocircuitos• Sobrecargas• Retorno de corriente• Subtensión• Sobretensión

De las fallas nombradas más arriba nos ocuparemos de las dos primeras, puesto que son las perturbaciones máscomunes que encontraremos en un sistema de distribución y para las cuales deberemos elegir y regular las protecciones de losinterruptores

Un cortocircuito se produce cuando hay una conexión directa entre dos o más conductores de distinta fase. Loscortocircuitos originan una corriente eléctrica de valores muy elevados, causando verdaderos destrozos sobre las máquinas,aparatos y cables de una instalación eléctrica, lo que significa que deben eliminarse rápidamente.

Las características, efectos y cálculo de estas corrientes se verán más adelante en otro capítulo.La sobrecarga ocurre cuando el circuito está trabajando con una corriente mayor a la nominal, que de mantenerse en el

tiempo pueden ocasionar la destrucción de la máquina, equipo o cables por calentamiento. .Es fácil confundir estos dos defectos, porque ambos tienen un punto en común que es el aumento de la corriente por 

valores superiores a los nominales de la red, pero es precisamente en la forma y valores que alcanzan estos aumentos, quediferencia a los cortocircuitos de las sobrecargas.

Los cortocircuitos se caracterizan por un aumento prácticamente instantáneo y varias veces mayor de la intensidad de

corriente nominal , mientras que una sobrecarga se caracteriza por un aumento mantenido por un tiempo determinado y algomayor que la corriente nominal .

En general es de aceptación en la práctica considerar como sobrecargas los valores de corriente entre 1 y 10 veces lacorriente nominal de la carga, cable, etc., considerándose cortocircuito para los valores de corriente superiores a 10 veces lacorriente nominal.

Otro tipo de falla, que exige otro tipo de protección por sus características es la falla a tierra, que se produce cuando unconductor de fase se pone en contacto con el conductor neutro o de tierra o la masa metálica de un equipo puesto a tierra, estafalla tiene la característica de presentar valores que van desde algunos miliamperios (corriente de fuga a tierra) hasta miles deamperes (cortocircuito monofásico) y dependen de las características de la instalación (régimen de conexión del conductor neutro)13.

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRECARGAS Y CORTOCIRCUITOSLos interruptores automáticos no solo tienen la función de control de la carga que alimentan, sino que también tienen

que proteger a los circuitos que alimentan contra las sobrecargas y cortocircuitos.Esta protección la realizan por medio de unidades de disparo o unidades de control cuya función es detectar las

 perturbaciones y producir el disparo del interruptor.Hoy en día, el estado de la técnica permite disponer de dos tecnologías constructivas para las protecciones utilizadas en

los interruptores automáticos.• Unidades termomagnéticas o unidades de disparo (hasta 630 A).• Unidades electrónicas o unidades de control.La utilización de uno u otro tipo sé relaciona con la corriente nominal del interruptor a la que esta asociado y de la

aplicación que se necesite (por ejemplo, temporizaciones para selectividad en las unidades de control).

Unidades TermomagnéticasEstán compuestas por dos elementos, donde cada una se destina a una función de protección. Así tenemos un elemento

térmico, encargado de la protección contra sobrecarga y un elemento magnético encargado de la protección contracortocircuitos.

13 Tema visto en el capítulo 3Máquinas e Instalaciones Eléctricas Capítulo VII

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 Elemento térmico:  Esta compuesto por una tira bimetálica por fase, fija en un extremo y libre en el opuesto paraaccionar el sistema mecánico, que origina la apertura del interruptor. El bimetal esta compuesto por dos metales de distintocoeficiente de dilatación, que al calentarse (por causa de la corriente de carga) se deforma curvándose y accionando elmecanismo de apertura.

Figura 7.2 Principio de funcionamiento de una unidad térmica.La figura 7.2 muestra un esquema del principio de funcionamiento. El calentamiento del bimetal puede ser realizado de

varias maneras, la utilizada para los interruptores de calibre superior a 63A es el calentamiento al pie del bimetal (figura 7.3);

esto es así porque de utilizar el calentamiento directo (la corriente circula por el bimetal) o el calentamiento indirecto (lacorriente circula por un arrollamiento calefactor alrededor del bimetal) implicaría un gran volumen y costo de la protección, sinembargo se utilizan para calibres inferiores a 63A.

Figura 7.3 Calentamiento a pie de bimetal.

La curva característica responde a la conocida curva de tiempo dependiente o inverso, cuya característica se muestra enla figura 7.4.

Figura 7.4 Curvas de relés térmicos

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En ella se destacan los valores límites de funcionamiento  If y de no funcionamiento  Inf , cuyos valores están indicadosen la IEC 947-2 y son:

•  Inf =1,05 Ir 

•  If = 1,30 Ir 

Con:• t = 1h para In <63A

•t = 2h para In > 63A

Siendo: Inf : corriente de no disparo. If : corriente de disparo seguro. Ir : corriente de regulación.

Elemento magnético: Su funcionamiento se basa en la fuerza de atracción ejercida entre piezas de material magnético.Esta fuerza mueve una pieza móvil que acciona el mecanismo mecánico de disparo del interruptor, según se muestra en elesquema de la figura 7.5.

Figura 7.5 Mecanismo de disparo del sistema magnético

Por el arrollamiento circula la corriente principal, la cual superado un dado umbral de corriente (fijo o regulable), produce el accionamiento de la protección. La curva característica corresponde a una recta paralela al eje de tiempos para unacorriente Im que corresponde a la corriente de disparo de la protección, la cual se considera de tiempo instantáneo (si no existetemporización). La figura 7.6 muestra una curva típica de un relé magnético. En la figura 7.7 puede verse el proceso dedisparo.

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Figura 7.6 Curvas de elementos magnéticos

Figura 7.7 Proceso de disparo magnético

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Curva característica: La combinación de los dos elementos en una sola unidad da las características de la proteccióntermomagnética, que se muestra en la figura 7.8.La curva corresponde a un interruptor Compact C401 N/H y las referenciasque aparecen en la curva corresponden a:

• 1: mínimo y máximo disparo térmico para estado frío.• 2: mínimo y máximo disparo térmico para estado caliente.• 3: umbral de disparo magnéticoLas curvas se expresan, generalmente, en un gráfico tiempo de disparo-relación 1/lr, siendo 1: corriente real e  Ir :

máximo valor de la regulación de la unidad de disparo a la temperatura ambiente de 40°C. Las unidades regulables tienen laregulación del elemento térmico entre 0,7 y 1  Ir y del elemento magnético es regulable entre 4 y 12,5  Ir . Estas curvas no

 pueden ser utilizadas para determinar la solicitación térmica, o en otras palabras la energía que deja pasar el interruptor desdeque se inicia el cortocircuito hasta que se elimina completamente. Para determinar el esfuerzo térmico se utilizan curvas delimitación, las cuales veremos más adelante.

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Figura 7.8 Curvas Termomagnéticas de un interruptor

Unidades electrónicas:También conocidas como unidades de control ofrecen una protección simple y segura para las redes de baja tensión.

Para entender su funcionamiento vamos considerar tres bloques funcionales como se muestra en la figura 7.9. El captador  es el encargado de tomar las señales analógicas del circuito que queremos proteger, estos captadores

 pueden ser transformadores de corriente externos o sensores internos incorporados en el interruptor.En la etapa de tratamiento se convierte la señal de manera que pueda ser tratada por el circuito electrónico (comparada,integrada, sumada, etc.), para dar una señal de salida binaria (1 o 0).

Esta señal se comunica al disparador , que puede ser un relé que actúe sobre el mecanismo de disparo o un relé concontactos libres de potencial que se conectan en el circuito de apertura eléctrico del interruptor.

Las protecciones electrónicas deben contar con una alimentación auxiliar para su funcionamiento la que puede ser por:alimentación independiente o alimentación de la red a proteger o alimentación por la corriente de defecto. Esta última técnicaes la utilizada en las unidades de control usadas en los interruptores, para realizar la operación de protección (sin fuenteauxiliar).Las unidades de control pueden utilizarse para cualquier aplicación de protección (cables, transformadores,generadores, etc.) y ofrecen una serie de ventajas que vamos a enumerar:

CAPTADOR TRATAMIENTO DISPARADOR

Figura 7.9 Diagrama bloque de una protección electrónica

•  precisión del valor de disparo: entre 1,05 y 1,20 para la protección de tiempo largo (LT) y ±15% para la protecciónde tiempo corto (ST).

• insensibilidad a la temperatura ambiente de la característica de disparo.• obtención de varias formas de curvas características.• control y monitoreo de carga, mediciones, indicación de la causa del disparo (sobrecarga, cortocircuito o falla de

tierra), transmisión de datos y test.

Curva característica: Las unidades de control permiten tos siguientes ajustes:•  protección retardo de tiempo largo contra sobrecargas,  Ir es ajustable entre 0,4 y 1  In, donde  In es la corriente

nominal del sensor o del interruptor.

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•  protección retardo de tiempo corto contra cortocircuitos, Im es ajustable desde 1,5 o 2,5 hasta 10, desde 2 o 3 hasta8 o desde 0,4 a 15 Ir dependiendo del dispositivo, donde Ir es la regulación de la corriente de tiempo largo.

•  protección instantánea fija o ajustable dependiendo del tipo de unidad de control e independiente de lasregulaciones de tiempo largo y corto.

•  protección de falla a tierra para prevenir riesgos de incendio.

Las curvas dadas en los catálogos indican la banda de tolerancia de la protección, es decir, la curva inferior indica lostiempos de no disparo, mientras la curva superior indica el tiempo de disparo seguro. La figura 7.10 muestra una curvacaracterística de una protección electrónica. Donde para esta curva:

 In: corriente nominal del sensor (montado en el interruptor).  Ir : regulación de tiempo largo. tr : banda de temporización de retardo.  Im: regulación de tiempo corto (banda de temporización 0,1-0.2-0,3) ---: para Ir = In

La función R es una característica de algunos tipos de protecciones que habilitándola permite ampliar el límite deselectividad entre dos interruptores (este tema lo veremos en selectividad más adelante).

Figura 7.10 Curvas De una unidad electrónica

DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA FALLA A TIERRAComo dijimos al comienzo, la falla a tierra puede alcanzar valores variados que dependen de la característica de la falla

(contacto directo o perforación de aislantes) y del régimen de conexión del neutro (puesto a tierra, puesta al neutro o neutroaislado).

En el caso de fallas de valores elevados de corriente (miles de amperes) que se producen, generalmente por uncortocircuito monofásico, los dispositivos de protección contra cortocircuitos cumplen satisfactoriamente la función de

 protección.El problema se tiene para las fallas de bajas corrientes (decenas de amperes) las cuales son características de fallas de

aislación de los cables, motores, máquinas, etc.Para este último tipo de falla los dispositivos de protección contra cortocircuitos son insensibles pues están regulados

 para corriente elevadas, si queremos utilizarlos deberíamos tener regulaciones bajas, pero eso implicaría tener una interferenciacon los valores nominales de corriente de la instalación que pueden ser mayores a los valores de falla.

Las consecuencias de estas fallas traen como consecuencia sobre la instalación peligro a bienes y personas:

•  A los bienes, nos referimos al riesgo de incendio que pueden producir una corriente de falla pequeña mantenida enel tiempo. Debemos recordar que el 70% de los incendios se deben a accidentes eléctricos.•  A las personas, nos referimos a la posibilidad de una descarga eléctrica que puede recibir, cuando se produce un

contacto eléctrico indirecto (un conductor de fase se pone en contacto con una masa metálica, por ejemplo la

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carcasa de un motor, la que adquiere un potencial respecto de tierra, tensión de contacto, que puede ser puenteada por alguna persona en forma casual).

Esto lleva a colocar protecciones, independientes de la protección contra sobrecargas y cortocircuitos, con umbrales defuncionamiento menores a las protecciones convencionales (desde 30mA hasta 250A).

El funcionamiento de estas se basa en la medición de la corriente diferencial, conocida como corriente de fuga, que se produce en un circuito cuando ocurre una falla de aislación.14

14 Ver capítulo 3. Protección de los bienes y las personas.Máquinas e Instalaciones Eléctricas Capítulo VII

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I NTERRUPTORES  AUTOMÁTICOS  DE   BAJA TENSIÓN GENERALIDADES

Un interruptor automático consiste en un dispositivo de maniobra asociada a una unidad de disparo, la cual produce laapertura automática del interruptor en el caso de sobrecargas o cortocircuitos, protegiendo de este modo a todos loscomponentes de la instalación, ubicados debajo del mismo (aguas abajo). Los interruptores pueden proveer también funciones

de control y seccionamiento.Con la adición de accesorios eléctricos auxiliares, el interruptor puede tener:

• apertura a distancia, con el agregado de un relé de apertura o un relé de baja tensión.• control a distancia de un circuito, con el agregado de un mecanismo motorizado.• señalización de su posición de abierto – cerrado o apertura por falta con el agregado de contactos auxiliares.

DEFINICIONES•  Interruptor automático: Dispositivo de maniobra mecánico capaz de establecer. conducir y cortar corrientes bajo

condiciones normales y también establecer, conducir por un tiempo determinado y cortar corrientes bajocondiciones anormales, por ejemplo cortocircuitos.

•  Interruptor automático limitador de corriente: Interruptor de potencia con un tiempo de interrupción losuficientemente corto como para prevenir que la corriente de cortocircuito alcance su valor pico.

 CARACTERÍSTICAS DE UN INTERRUPTOR AUTOMÁTICOVamos a definir algunas características técnicas de los interruptores de baja tensión definidas en la IEC 947-2 y que nos

van a permitir efectuar la selección del interruptor en función de la información ofrecida por el fabricante en los catálogos.

Tipo de interruptoro Números de polos : 3 o 4 (figura 7.11)

Figura 7.11 Interruptores tetrapolares y tripolares

o Clase de corriente: A.C. o C.C.

Valores nominales y límites del circuito principal•  Tensión:

o Tensión de operación (Ue): Valor de tensión, el cual combinado con la corriente de operación determina laaplicación del equipo y a la cual se refiere los ensayos y categoría de utilización.

o Tensión de aislación (Ui): Valor de tensión a la cual son referidos los ensayos dieléctricos de tensión ydistancias de aislación.

o Tensión de impulso resistida (Uimp): Valor pico de la onda de impulso de forma y polaridad determinada,que es capaz de resistir el equipo sin falla, bajo condiciones especificadas de ensayo. La forma de onda esla simulación de un impulso atmosférico conocida como 1,2/50 us.

• Corriente:

o Corriente de operación (Ie): Valor de corriente establecido por el fabricante y tiene en cuenta la tensión deoperación, frecuencia, categoría de servicio y categoría de utilización.

o Corriente térmica convencional en aire (Ith): Valor máximo de corriente, definida por el fabricante, autilizarse en los ensayos de los equipos instalados al aire libre. Este valor deberá por lo menos, igual almáximo valor de la corriente de operación del equipamiento en aire libre para el servicio de 8h.

o

Corriente térmica convencional en caja (Ithe): Valor máximo de corriente, definida por el fabricante, autilizarse en los ensayos de los equipos. instalados en caja. Este valor deberá por lo menos, igual almáximo valor de la corriente de operación del equipamiento en caja para el servicio de 8 h.

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

o Corriente nominal (In): Valor de corriente, definido para el fabricante, que puede conducir el interruptor en servicio ininterrumpido, este valor es igual a Ith.

• Frecuencia nominal

Categoría de servicioPara el interruptor se definen dos tipos de servicio:

• Servicio de ocho horas: los contactos del interruptor permanecen cerrados conduciendo una corriente tal queel interruptor alcance el equilibrio térmico. pero no más de 8 horas.

• Servicio ininterrumpido: los contactos permanecen cerrados conduciendo una corriente, sin interrupción por  períodos mayores a 8 horas (días, semanas, meses, años, etc.).

Características de cortocircuito:A continuación se definen una serie de características, que son muy importantes tener en claro y se refieren a la cualidad

del interruptor a soportar, cortar y/o establecer corrientes de cortocircuito. Cuando recibimos un catálogo de un interruptor ynecesitamos saber los valores del poder de interrupción de un interruptor para una determinada aplicación, nos encontramosque existen dos valores de capacidad de interrupción para el mismo interruptor y a las mismas tensiones que se definen de lasiguiente manera:

•  Poder de interrupción de cortocircuito último (Icu): Es el valor de corriente de cortocircuito de interrupción

asignado por el fabricante para la tensión de operación y condiciones de ensayo especificadas,correspondiente a la secuencia de operación O-t-CO. Se expresa como el valor eficaz de la corriente deinterrupción presunta, en KA (valor eficaz de (a componente simétrica).

•  Poder de interrupción de cortocircuito de servicio (Ics): Es el valor de corriente de cortocircuito deinterrupción asignado por el fabricante para la tensión de operación y Condiciones de ensayo especificadas,correspondiente a la secuencia de operación O-t-CO-t-CO. Se expresa como un porcentaje de  Icu

(generalmente 50 o 100% Icu).

Vamos a aclarar el concepto de estos dos poderes de interrupción.La corriente  Icu representa la máxima corriente que el interruptor puede verse precisado a cortar. Decimos “puede

verse” por la siguiente razón; cuándo realizamos el estudio de cortocircuito de una instalación las hipótesis que se toman sonmáximas, esto quiere decir que hay factores que no se tienen en cuenta (resistencias de los interruptores, conexiones;

cortocircuito en borne del interruptor, desprecio de la resistencia del arco, etc.) y hacen que los valores resultantes seanmayores a los reales. Esto lleva a la conclusión que la corriente de cortocircuito que en realidad se va a producir en unainstalación es bastante menor al calculado.

De todos modos, las corrientes de cortocircuito deben ser cortadas por el interruptor, sin que ello comprometa lacontinuidad del servicio (retorno inmediato) y seguridad de la instalación.

Por esta razón la IEC 947-2 define el poder de interrupción de servicio  Ics, para la cual el interruptor debe soportar tresaperturas sucesivas y seguidamente debe realizarse el ensayo del aparato, calentamiento a  In, rigidez dieléctrica, relés ymecanismo de disparo. Es decir que se verifica la capacidad del interruptor de asegurar el servicio normal, incluso después dehaber interrumpido muchas corrientes de cortocircuito.

Corriente admisible de breve duración (IcwEs el valor de corriente más elevada que el interruptor, sin relés instantáneos, que es capaz de soportar por un tiempo

determinado sin que las partes activas soporten un recalentamiento tal que altere de manera irreversible las características del

material aislante.Para C.A. es el valor eficaz de la componente de la corriente de cortocircuito presunta, asumida constante durante el

tiempo establecido. El tiempo asociado con la corriente admisible de breve duración deberá ser como mínimo 0,05s, preferiblemente: 0,1 - 0,25 - 0,5 - 1 seg. El valor no deberá ser menor que los valores mostrados en la figura 7.12

Corriente nominal In (A)Corriente admisible de breve duración Icw valores (KA)

mínimos In < 2500  I 2  In (5 KA como mínimo) In > 2500 30 KA

Figura 7.12 valores máximos para la ICW

Poder de cierre de cortocircuito (Icm)

Es el valor máximo de corriente que el interruptor es capaz de establecer cuando cierre con un cortocircuito en su salida.Este valor es asignado por  e¡ fabricante para la tensión de operación, frecuencia nominal y un factor de potenciaespecificado para A.C., o constante de tiempo para C.C. Este valor implica que el interruptor estará habilitado para establecer la corriente correspondiente a su capacidad y a la tensión correspondiente a su tensión de operación.

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Está expresado como el máximo valor pico de corriente presunta y esta dado por un múltiplo de la capacidad deinterrupción de cortocircuito último Icu, según se indica en la figura 7.13

 Poder de interrupción de

cortocircuito Icu (kA eficaces)Factor de potencia

Valor mínimo requerido

 para n = Icm/Icu

4,5 < Icu ≤ 6 0,7 1,56,0 < Icu ≤ 10 0,5 1,7

10 < Icu ≤ 20 0,3 2,020 < Icu ≤ 50 0,25 2,150 < Icu 0,2 2,2

Figura 7.13 Máximo valor pico de corriente presunta

Categoría de utilización:Esta definida con relación a si el interruptor esta diseñado específicamente para selectividad por medio de un retardo de

tiempo intencional con respecto a otro interruptor en serie ubicado aguas abajo (del lado de la carga), en condiciones decortocircuito. Las categorías de utilización son las siguientes:

• Categoría A: Interruptor  no diseñado específicamente para selectividad 15  con otro dispositivo de proteccióncontra cortocircuitos en serie sobre el lado de la carga, es decir sin retardos de tiempo estipulados para laselectividad bajo condiciones de cortocircuitos, es el caso de los interruptores automáticos en caja moldeadaCompact.

• Categoría B: Interruptor diseñado específicamente para selectividad con otro dispositivo de protección contracortocircuitos en serie sobre el lado de la carga, es decir con un corto retardo intencional de tiempo (que puedeser ajustable) estipulado para la selectividad bajo condiciones de cortocircuitos.

Los interruptores están diseñados para soportar un cortocircuito de corriente inferior a  Icw durante eltiempo de retardo a la desconexión.

Para estos interruptores la IEC 947-2 impone un ensayo adicional que consiste en verificar la capacidad para soportar, desde el punto de vista térmico y electrodinámico (sin repulsión de contactos que provoque undeterioro prematuro), la corriente Icw durante el tiempo de retardo a la desconexión.

En la figura 7.14 mostramos una carátula de un interruptor automático

Figura 7.14 Inscripciones a frente de interruptor

ELECCIÓN DE UN INTERRUPTOR AUTOMÁTICOEn este punto veremos los criterios de selección de un interruptor automático. Cuando se seleccione un interruptor 

automático, deberán analizarse tas siguientes características de la instalación:• Características del sistema donde se instalará el interruptor.• La exigencia de continuidad del servicio.• La regulación y elección de las protecciones.Para comenzar debemos como mínimo conocer los siguientes datos:• Corriente nominal o de carga Is a conducir.

15 Es la coordinación de apertura automática para que un defecto, producido en un punto cualquiera de un circuito, seaeliminado por el interruptor automático, situado inmediatamente encima del defecto y sólo por él.

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• Valor de la corriente de cortocircuito Icc en los puntos de instalación del o los interruptores. La elección del interruptor automático se realiza, como siempre, comparando su intensidad de regulación Ir con Icarga,

y su poder de corte  Icu con Icc prevista. Estas dos comparaciones o reglas básicas se describen en la norma de instalaciónUNE 20 460.

La IEC 947-2 ha definido la nueva característica Ics, capacidad de ruptura en servicio, como la aptitud de un aparato para asegurar un servicio completamente normal, después de cortar un cortocircuito de valor “probable”.

Aunque no había todavía ninguna regla en las normas de instalación (UNE 20 460, IEC 364 o NF C 15-100) quecorrespondiera a la utilización de la característica  Ics, es importante y prudente, en beneficio de una óptima continuidad delservicio, elegir un aparato cuya característica lcs sea tal que: Ics ≥ Ics probable.

Interruptores automáticos instalados cerca de una fuente de energía Nos referimos a los aparatos instalados en la cabecera o acometida general, en acoplamiento de cuadros o a la salida del

“cuadro general de BT”, que, debido a su proximidad con los transformadores, deben de asegurar la protección contra defectoscon muy poca impedancia. Así sucede que los defectos monofásicos fase/ neutro o fase/CP son del mismo orden de magnitudque los Icc trifásicos, debido a que son muy bajas:

• las impedancias homopolares de las fuentes,• las resistencias de conexión,• la impedancia de conexión entre la fuente y el aparato de protección.

En estas condiciones las corrientes de cortocircuito probables están próximas al valor teórico Icc previsto.

Interruptores automáticos de calibre menor utilizados lejos de las fuentes de energíaEstos aparatos, instalados generalmente en los cuadros de distribución, protegen los cables de unión entre cuadros o

entre cuadros y receptores.En este caso, los cortocircuitos probables se ven muy atenuados ya que, de producirse, son casi siempre monofásicos o

 bifásicos y situados al final de cables protegidos.Puede estimarse que su valor llegará, como máximo, al 80% de la Icc bifásica calculada en el inicio de la canalización.Los cálculos demuestran que la corriente de cortocircuito probable es, en la mayor parte de los casos, inferior al 50% de

la Icc prevista.Sin que ésta sea una regla de instalación desde el punto de vista estricto de las normas, utilizar en este caso interruptores

automáticos cuya Ics sea ≥ 50% es una norma de precaución para la longevidad de la instalación.

Características del sistema• Tensión: La tensión nominal del interruptor, debe ser superior o igual a la tensión de línea del sistema.• Frecuencia:: La frecuencia nominal del interruptor, debe corresponder con la frecuencia del sistema. Los

interruptores operan en 50 Hz o 60 Hz (también pueden operar en 400 Hz o CC.).• Corriente: La corriente nominal del interruptor, debe ser superior o igual a la corriente conducida por el cable (o

carga conectada) y menor que la corriente admisible por el cable.• Temperatura ambiente: si el valor de temperatura en (as inmediaciones del interruptor o en el interior del tablero

donde está instalado, es distinta a su temperatura nominal asignada (+40 °C), deberá considerarse ladesclasificación de la corriente nominal que puede conducir el interruptor en un factor que se indica en tablas ográficos en los catálogos correspondientes.

•  Poder de interrupción:: El poder de interrupción de cortocircuito final del interruptor ( Icu), debe ser por lo menosigual al valor de la corriente de cortocircuito presunta en el punto de instalación del mismo. Se admite una

excepción donde el valor del poder de cortocircuito puede ser menor que el valor de la corriente de cortocircuito presunta. Es cuando “aguas arriba” del interruptor, se halla instalado un interruptor con un poder de apertura ylimitación de corriente, capaz de (limitar el valor  I 2 .t , a un valor menor al que el interruptor y el cable protegido

 puedan soportar. La técnica de Filiación o “protección de respaldo”, ofrece esta protección.•  Altitud: deberá efectuarse una desclasificación en corriente, si el interruptor va a instalarse a una altitud mayor 

2000m. Esto se debe a que a mayor altura la densidad y presión del aire son menores, lo que dif  Iculta (a circulacióndel aire para su ventilación y el corte del arco eléctrico durante la apertura.

•  Número de polos:: El número de polos depende del sistema de instalación del neutro (TT , TN , TI ) y de la funciónrequerida (protección, control o seccionamiento).

Continuidad de servicioDepende del grado de continuidad o calidad de servicio requerido por la instalación, la elección del interruptor puede

realizarse para:

• Selectividad total entre dos dispositivos ubicados en serie.• Selectividad parcial entre dos dispositivos ubicados en serie. 

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

Regulación y elección de las protecciones• Protección de personas contra contactos indirectos: Las medidas a tomar para la protección contra contactos

indirectos, con un interruptor automático dependen del sistema de instalación del neutro adoptada.En sistemas TT , la protección es provista por dispositivos de protección de corriente residual.En sistemas TN  o  IT , esta protección es provista generalmente por los dispositivos de protección contra

cortocircuitos (se debe hacer un estudio de la corriente de falla en función de las secciones de los conductores).En sistemas  IT , la protección se basa en una continuo monitoreo de resistencia de aislamiento (vigiladores de

aislamiento).

• Protección de cables: En el caso de cortocircuito, el interruptor debe limitar el valor  I 2 .t a un valor menor que eladmisible por el cable.

Esto puede hacerse comparando la característica R del dispositivo de protección (de las curvas de limitacióndel interruptor) y el valor que el cable puede soportar (normalmente dado por el fabricante del cable como unaformula I2.t = k.S, siendo S la sección del cable y k una constante dada por el fabricante en función del tipo decable).

Además el interruptor debe proteger al cable en el caso de un cortocircuito en el final del mismo. La tabla de lafigura 7.15 da valores orientativos del I2.t [A2.s] resistido por los cables.

mm2 1,5 2,5 4 6 10 16 25 32 50

PVCCu 2,97 8,26 21,2 47,6 132 340 826 1620 3310

Al 54,1 139 338 664 1350XLPE

Cu 4,1 13,9 29,2 65,6 182 469 1390 2230 4560Al 75,2 193 470 923 1880

Figura 7.15 Valores resistidos por los cables (multiplicar por 10.000)

• Protección de otros equipos: Nos referimos a la protección de transformadores, condensadores, generadores, etc.

EJERCICIO DE APLICACIÓN:Seleccionar los interruptores I1 e I2 del siguiente circuito (figura 7.16):

1 I 

2 I 

 Kv231 / 40 ,0%4Ucc

 KVA400

 Kv2 ,13

=

BARRA 400 V

CARGA 150 KVA

XLPE – Cu - 2x(3x300 mm2)

Figura 7.16

Los datos:• Tensión nominal U = 380 V• Frecuencia f = 50 Hz• Potencia nominal de la carga de I2, S = 150 KVA

• Salida de cable de I2 XLPE de Cu 2x(3 x 300 mm2)• Temperatura ambiente = 35 °C

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

Elección del interruptor• Calculo de la corriente de cortocircuito: Antes de calcular la corriente de carga vamos a calcular la corriente de

cortocircuito. En este caso sencillo, calculamos la corriente a la salida del transformador que va a ser la misma que circula por  I 1 cuando se produce un cortocircuito debajo de este16 y por  I 2 cuando el corto se produce debajo de  I 2. Vamos autilizar el método simplificado: (figura 7.17)

1 I 

2 I 

 Kv231 / 40 ,0

%4Ucc

 KVA400

 Kv2 ,13

=

BARRA 400 V

CARGA 150 KVA

XLPE – Cu - 2x(3x300 mm2)

Figura 7.17

. KAmp43 ,14Un3

100

Ucc

SnT  Icc =

⋅⋅=

• Cálculo de las corrientes nominales de los interruptores: La corriente nominal de salida del transformador para elegir lacorriente nominal del interruptor  I 1:

. Amp578 Kv400 ,03

 KVA400 InT  =

⋅=

La corriente de la carga para elegir la corriente nominal del Interruptor  I 2:

. Amp228 Kv38 ,03

 KVA150 Is =

=

Obtenido el valor de corriente y junto con el valor de Ice, consultamos las tablas de selección, obteniendo:

• Interruptor I 1: Obtenemos (figura 7.18) como interruptor el Compact NS630N con las siguientes características.o  In[A] =630 a 40°Co

Ue [V] = 690 a 50/60 Hzo  Icu[KA] =45 a 380/415 Vo  Ics [KA] = 100% de Icu (45 KA)o Categoría de utilización A con unidad de disparo termomagnética; B con unidad

de control electrónicao  Icw [KA] = 9 por 0,1 s (para categoría B)

16 En realidad para poder calcular la corriente de cortocircuito debemos utilizar los métodos explicados en el capítulo 2.Para una simplificación, ya que no es de muestro interés el calculo de la Icc, diremos que la máxima potencia de cortocircuitoes 100MVA.

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

Figura 7.18 catalogo de elección

Estas dos categorías disponibles para los interruptores de 400 a 630 A, se debe a la ubicación del interruptor, es decir,debido al valor de corriente nominal estos interruptores, generalmente, se emplean en las salidas para otros tableros seccionaleso como salida de un transformador. Como el interruptor va a tener que ser selectivo con los ubicados aguas abajo, deberásoportar una Icw, por los tiempos necesarios para la selectividad. Vamos a elegir el interruptor para ambas unidades:

o Unidad de disparo termomagnética. Caso 1: El tipo de unidad será la estándar, es decir la unidad tipo electrónica

 porque ya que la electromagnética no alcanza los rangos necesarios (menor o igual a 250 amper). La proteccióntérmica tiene: (figuras 7.19 y 20)

o

Protección térmica ajustable  Ir = 0,4 a 1 In (Comp. entre -5 y +40 °C y con regulación gruesa y fina)o Protección magnética de retardo corto ST ajustable [ms]: Im = 2 a 10 Ir 

o Retardo fijo: 10 ms.o Protección instantánea fija : I = 15 In

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

o Módulos no intercambiablesEl valor de In es el rango del sensor incorporado en el interruptor, que para el C630 es de 630 A.

Figura 7.19 gama de protecciones

Figura 7.20 Catálogo del caso 1

o Unidad de disparo termomagnética. Caso 2: En este caso será la STR53UE, de mayor costo pero con mayores posibilidades de regulación: (figura 7.21)

o Protección térmica ajustable de sobrecargas en retardo largo  Ir = 0,4 a 1 In (Comp. entre -5 y +40 °C y

con regulación gruesa y fina)o Tiempo de disparo en sobrecargas (SR) a 1,5 Ir: de 15 a 240 msego Protección de cortocircuitos ST (retardo corto): 1,5 a 10 Ir (8 escalones)

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

o Tiempo regulable de recargo corto, con o sin función I2t 0 constante: 4 escalones de valor fijo, variableentre 15 y 350 mseg.

o Protección instantánea de umbral regulable contra los cortocircuitos: 1.5 a 11 Ino Umbral de disparo para protección de falla a tierra: 8 escalones de 0,2 a Ino Tiempo de disparo de protección de fallas a tierra, con o sin función I2t 0 constante: 4 escalones de 140 a

500 msego Módulos no intercambiables

Figura 7.21

o Conclusión:

o Interruptor con unidad de disparo termo magnética: Compact NS 630 No Interruptor con unidad de control electrónica: STR23SE 630 AMPER (por ser más barata y no se han dado

característica de necesitar mayor regulación del sistema)o  Regulación de las protecciones:

o Interruptor con unidad de disparo termomagnética C630N D630.o Regulación Ir :

 In91 ,0 Ir 91 ,0

630

578

. prot  In

aarg  Ic Ir  ⋅=⇒==

=

Siendo In la corriente nominal de la protección (630 A)o Regulación Im: Elegimos, por ejemplo, un valor  Im = 3150 A. Im = 5 In

• Interruptor I2: Obtenemos como interruptor el Compact NS 250 N con las siguientes características.

o  In[A] = 250 a 40°Co Ue [V] = 690 a 50/60 Hzo  Icu[KA] = 36 a 380/415 Vo  Ics [KA] = 100% de  Icu

o Categoría de utilización A con unidad de disparo termomagnética

o Unidad de disparo termomagnética: El tipo de unidad será la estándar, es decir la unidad tipo  D porque notenemos ninguna condición especial de instalación. La unidad para el interruptor C250 tiene las siguientescaracterísticas: (figura 7.22 y 23)

o Protección térmica ajustable  Ir = 0,8 a  In (Comp. entre -5 y +40 °C)o Protección magnética Ajustable Im = 5 a 10 In

o Módulos intercambiables de los siguientes rangos: La corriente nominal de la carga es 228 A por lo tantola unidad de disparo es la D250.

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

Figura 7.22 Gama de protecciones electrónicas

Figura 7.23 Catálogo del interruptor 2

o Conclusión: Interruptor con unidad de disparo termomagnética: Compact NS 250 N – con proteccióntermomagnética TM250D

o  Regulación de las protecciones: Interruptor con unidad de disparo termomagnética: TM 250D, Regulación Ir 

 In91 ,0 Ir 91 ,0250

228

. prot  In

aarg  Ic Ir  ⋅=⇒==

−=

Nota: De haber sido la temperatura superior a 40 °C, debe efectuarse una desclasificación del interruptor asociado a launidad de disparo o control.

Resultado: Interruptor Modelo

 I 1 Compact NS 630 – STR53UE 630 I 2 Compact NS 250 N – TM250D

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CAPÍTULO VII REVISIÓN Nº 2007 28/04/2012TEMA: INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS

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Máquinas e Instalaciones Eléctricas Capítulo VIIPágina 38 de 38