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Cuaderno Técnico nº 156 Garantía de funcionamiento y cuadros eléctricos BT Por: Philippe Romanet-Perroux

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Cuaderno Técnico nº 156

Garantía de funcionamiento ycuadros eléctricos BT

Por: Philippe Romanet-Perroux

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Cuaderno Técnico Schneider n° 156 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

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Advertencia

Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicación de las informaciones o esquemas contenidas en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 156 de Schneider Electric».

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Cuaderno Técnico n o 156

Garantía de funcionamientoy cuadros eléctricos de BT

Philippe Romanet-PerrouxIngeniero diplomado por el Institut NationalPolytechnique de Grenoble y por l’Ecole Supérieurdes Affeires, entra en Merlin Gerinen 1983.

Después de dedicarse al estudio de las redeseléctricas, participa en el desarrollo de productosy pasa a ser responsable de proyecto en el grupode desarrollo de Sistemas de AlimentaciónIninterrumpida (SAI o UPS). Actualmente esresponsable del soporte técnico para la actividadde Equipos y sistemas BT.

Trad.: José Mª Giró

Original francés: octubre 1998

Versión española: septiembre 2000

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Terminología

Aparato inteligente: Aparato que tienemedios propios de tratamiento de datos y unacierta autonomía de funcionamiento respectoal sistema informático del que depende.

AT: Alta Tensión.

BT: Baja Tensión.

BUS medio: Conexión que permiteintercambiar datos digitales en los diferenteselementos que están conectados con él.

CEI: Comisión Electrotécnica Internacional.

Central de cuadro: Producto destinado aagrupar el conjunto de informacionesdisponibles en un cuadro y en su entornodirecto para realizar el proceso de estos datosy unirse con un sistema de comunicacionespara convertir el cuadro BT en inteligente.

CP (o PE): Conductor de Protección.

ES y EDS: «Conjunto Serie» y «ConjuntoDerivado de Serie» son equipos de BTdefinidos por normas, que les imponendiferentes características técnicas y normasde diseño y ensayos.

GTB: Gestión Técnica de Edificios.

GTC: Gestión Técnica Centralizada.

GTE: Gestión Técnica de la Electricidad.

GTP: Gestión Técnica de Procesos.

IP: Grado de protección de los cuadros debaja tensión.

MCC: Centro de Control del Motor, cuadro BTque reagrupa los elementos de control-mandode varios motores.

MT: Media Tensión.

MTBF (Mean Time Between Faliure): Tiempomedio entre fallos.

MTTR (Mean Time To Repair): Tiempo mediopara reparar.

Protocolo: Secuencia de normas a seguirpara establecer y mantener intercambios deinformación entre estaciones a través de unBUS.

Red de comunicaciones: Equivalente altérmino BUS de comunicaciones; la palabra«BUS» se prefiere a la de «red», porque éstasuele referirse a la red eléctrica.

TGBT: Cuadro General Baja Tensión.

TGI: Cuadro de gestión integrada (o cuadrogeneral de BT inteligentes); equipo queagrupa la aparamenta electrotécnica de ladistribución de potencia y una central decuadro; el conjunto está conectado medianteun BUS de datos para efectuar el control ymando de la distribución eléctrica.

SAI (o UPS): Sistema de AlimentaciónIninterrumpida, también denominadoondulador.

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Cuaderno Técnico Schneider n° 156 / p. 5

Garantía de funcionamiento y cuadroseléctricos de BT

1 Introducción p. 6

2 Funcionalidad de los cuadros p. 7

2.1 El cuadro y sus funciones p. 8

2.2 La garantía funcional del cuadro p. 11

3 Seguridad en función 3.1 Características de la garantía de funcionamiento p. 12de la necesidad 3.2 Conceptos de seguridad industrial p. 16

3.3 Niveles de seguridad requeridos p. 24

4 El cuadro, perspectivas de futuro 4.1 La Gestión Técnica de la Electricidad p. 26

4.2 La GTE aporta un «plus» a la seguridad p. 27

4.3 La tecnología p. 28

4.4 El cuadro «inteligente» p. 28

5 Conclusión p. 30

Anexo Bibliografía p. 31

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Cuaderno Técnico Schneider n° 156 / p. 6

Este Cuaderno Técnico trata sobre laseguridad de las redes de Baja Tensión -BT-en la industria y en el sector terciario. Suobjetivo es aportar los elementos queresponden a la pregunta «¿cómo debe de seruna instalación respecto a la necesidad dedisponibilidad de la energía eléctrica?».

El estudio se desarrolla aquí en referencia alos cuadros eléctricos BT.

Se responde a cuestiones como éstas:

n ¿cuáles han de ser sus funciones paraconseguir paliar cualquier fallo del sistema dedistribución BT?

n ¿cómo utilizarlos?

n ¿de qué aparamenta dotarlos?

n ¿en qué entorno de red (número de fuentesy de receptores, tipo de esquema de conexióndel neutro a tierra o régimen del neutro)?

1 Introducción

Y teniendo en cuenta una realidad importante:los cuadros BT son el centro de mando de laenergía eléctrica.

Este documento permite tanto a los usuarios,como a los proyectistas de instalacioneseléctricas:

o dejar claros los puntos a los que hay queprestar especial atención, desarrollándolos apartir de las elecciones técnicas expresadasen el apartado «conceptos de seguridadindustrial». Estos estudios se refieren a losniveles de fiabilidad calculados sobre casosconcretos, que ofrecen respuestas válidas encuanto al tipo de materiales. Se hace unresumen en el apartado «niveles de seguridadrequeridos»,

o hay que destacar la creciente importanciaque aporta la Gestión Técnica de laElectricidad -GTE- en la seguridad al nivel delcuadro BT.

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Cuaderno Técnico Schneider n° 156 / p. 7

El cuadro eléctrico es el punto de pasoineludible de la corriente eléctrica.

En él se instala un conjunto de aparatos queaseguran:

o la distribución de la energía eléctrica y laprotección de los circuitos,

o la protección de las personas,

o el control y mando de la instalación.

Los recientes estudios de esta parte decontrol-mando hacen del cuadro el centro vitalde una instalación: de su seguridad dependela seguridad del conjunto de la instalación; desu «capacidad de evolución» depende lasupervivencia de toda la actividad industrial oterciaria que alimenta.

Esta seguridad de funcionamiento de ladistribución eléctrica se traduce en:

n probabilidad, muy baja, de averías(fiabilidad),

n ausencia de fallos peligrosos (seguridad),

n el mayor tiempo posible de funcionamientocorrecto (disponibilidad),

n reparación rápida (mantenibilidad),

... y esto, durante toda la vida de lainstalación.

Estos conceptos de seguridad defuncionamiento y de capacidad de evolucióndeben de tenerse en cuenta ya desde la fasede diseño del cuadro.

La gestión de la instalación debe serdescentralizada (CT 186). Los automatismosde conexión y desconexión, de conmutación,los aparatos de medida, de protección... secolocan lo más cerca posible de la utilización,lo que permite:

o una modularidad óptima, obtenida por ladisposición de los diferentes elementos,

o un aumento de la fiabilidad, pues unaavería local no debe paralizar el conjunto de lainstalación,

o una cierta comodidad para el usuario, encuanto a las posibilidades locales de mando-

control sobre los cuadros de distribuciónfinales y en cuanto al cuadro central desupervisión: el diálogo entre estos diferentesniveles de la distribución es hoy en día muchomás fácil con los buses de transmisión dedatos.

Como consecuencia de estadescentralización, una parte de «lainteligencia» se reparte integrándola en losdiferentes cuadros de BT de una instalaciónque reúnen todos los órganos activos, entre eltransformador y la utilización final (figura 1 ).

Así se diseña un sistema de cuadros,incluyendo:

o el TGBT (Cuadro General de Baja Tensión),

o MCC (Centro de Control de Motores),

o los cuadros intermedios de distribución,

o los armarios de utilización final.

2 Funcionalidad de los cuadros

Fig. 1: Actualmente, la inteligencia está integrada enlos cuadros BT (Digibloc - Merlin Gerin).

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2.1 El cuadro y sus funciones

Un cierto número de componentes oespecificaciones del «cuadro» consiguen y/ogarantizan su funcionalidad.

En cuanto a la funcionalidad, hay un ciertonúmero de componentes o especificacionesparticulares que hacen posible y hastagarantizan el conseguirla:

n La arquitectura de la red BT

Ésta se concreta en una distribución endiversos niveles de cuadros y armarios...adecuadamente dispuestos; este aspecto sedesarrolla al hacer el plan de la instalación.

A continuación, se definen diversas zonasdentro del cuadro:

o aparamenta,

o juego de barras -JdB-,

o conexiones,

o elementos auxiliares.

Ya desde este momento deben de respetarselas distancias de aislamiento y de seguridadmínimas.

n Las unidades funcionales

Permiten realizar las maniobras y funcioneseléctricas correspondientes a las necesidadesdel usuario. Cada unidad abarca laaparamenta destinada a cubrir una función,por ejemplo, la protección de una salida o deun conjunto de salidas, el mando de un motor,la llegada de corriente al cuadro, ...

n La envolvente

Es la que concreta el volumen eléctrico.Asegura simultáneamente:

– la protección de los materiales eléctricos desu interior contra las influencias externas,

– la protección de las personas contra loschoques eléctricos (contactos directos eindirectos).

o Protección del materialQueda asegurada contra la penetración decuerpos extraños sólidos y líquidos mediantela mayor o menor estanqueidad de laenvolvente.

Elemento Cifra Significado para la Significado para laprotección del material protección de las personas

Primera cifra contra la penetración de contra el acceso a partescaracterística cuerpos sólidos extraños: peligrosas con:

0 (no protegido) (no protegido)1 de diámetro ≥ 50 mm dorso de la mano2 de diámetro ≥ 12,5 mm dedo3 de diámetro ≥ 2,5 mm herramienta4 de diámetro ≥ 1,0 mm alambre5 protegido contra el polvo alambre6 estanco al polvo alambre

Segunda cifra contra la penetración de agua con –característica efectos perjudiciales:

0 (no protegido)1 gotas de agua verticales2 gotas de agua (15o de inclinación)3 lluvia4 proyección de agua5 proyección con lanza de agua6 proyeccion potente con lanza7 inmersión temporal8 inmersión prolongada

Letra adicional – contra el acceso a partes(opcional) peligrosas, con:

A dorso de la manoB dedoC herramientaD alambre

Letra suplementaria información suplementaria específica con: –(opcional) H material de alta tensión

M movimiento durante el ensayo con aguaS parado durante el ensayo con aguaW intemperie

Fig. 2: Criterios que definen el grado de protección IP según la norma CEI 60 529.

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o Protección de personas

Queda asegurada por:

– la interconexión de todas las partesmetálicas (armadura, tapas, incluida lapuerta), que están conectadas a tierramediante el conductor de protección -CP-,

– la minimización de los orificios (deaireación, de paso de cables, ...) que no hande permitir tocar ninguna parte con tensión, nidirectamente ni con herramientas(destornillador, por ejemplo),

– la utilización eventual de pantallas, a fin deevitar todo contacto con las partes activascuando la puerta está abierta.

o Grado de protección (IP)

La norma CEI 60 529 (1 989-11) define losdistintos grados de protección de las personas(contra los contactos directos) y del material(figura 2 ), por medio de dos cifras y de dosletras. La resistencia al choque, que estabacaracterizada por la tercera cifra del IP, seexpresa actualmente por un índice separadoIKx, según la norma EN 50 102 (1 995).

o Adaptabilidad

La envolvente debe estar adaptada a losvolúmenes de la aparamenta que contiene, asícomo al tamaño de los locales y de las vías deacceso. Al montar unidos los diversosmódulos funcionales se obtienen los cuadrosnecesarios para cada usuario.

Según el caso, las conexiones puedenhacerse por arriba o por debajo, por delante opor detrás.

n Las separaciones interiores

Para una mayor seguridad, las celdas oarmarios pueden estar divididas por tabiques opantallas (metálicas o no).

Los materiales y el cableado se colocan en elcuadro de tal manera que su funcionamientono se vea comprometido por influenciasmutuas, por ejemplo, camposelectromagnéticos, vibraciones, o los arcosque pudieran producirse. Los separadorespermiten evitar la mayor parte de estasinterferencias; además, una buena ventilaciónsoluciona los problemas térmicos.

Los tabiques, separadores y pantallascontribuyen también a:

o la protección contra contactos con laspartes activas pertenecientes a unidadesfuncionales adyacentes,

o la limitación de los riesgos de cebado,

o la protección contra el paso de cuerpossólidos de una unidad funcional a otra.

Los niveles de seguridad correspondientes secuantifican o miden más adelante en estemismo Cuaderno Técnico.

Forma 1 Forma 2b

Forma 4bForma 3b

Estos tabiques están a menudo collados a laestructura del cuadro y delimitan así lasdiferentes zonas: aparamenta, juego debarras, conexiones y elementos auxiliares.Esta separación de los diferentes elementos ofunciones de un cuadro (figura 3 ) estádefinida en las normas CEI 60 439-1 (1 992).

o forma 1: sin ninguna separación,

o forma 2: separación del juego de barras delas unidades funcionales,

o forma 3: igual que la forma 2, pero conseparación de las unidades funcionales entresí aunque no de los bornes de salida,

o forma 4: igual que la forma 3, pero conseparación de los bornes de salida entre sí.

Nota: cada una de las formas 2, 3 y 4 sesubdivide en dos, con los subíndices«a» o «b».

Fig. 3: Las «formas» definidas por las normas CEI60 439 y EN 60 439 definen la delimitación de laszonas dentro de un cuadro.

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n Las conexiones eléctricas dentro del cuadro

Están formadas por conductores (juego debarras y cables) en el interior de la envolventey materializan la distribución de la corrienteconforme al esquema de la instalación.

o Su número y sección varían en función delas corrientes nominales. Pero suscaracterísticas dependen también de otrosparámetros que hay que tener en cuenta en suconstrucción, como por ejemplo la corrienteasignada de resistencia al cortocircuito de uncuadro que es igual al valor eficaz de lacorriente que puede soportar el cuadrodurante un segundo (norma CEI 60 439-1).

o También los soportes deben de «aguantar»los esfuerzos electrodinámicoscorrespondientes y resistir las solicitacionestérmicas. Es necesario, además, que respetenlas distancias mínimas de seguridad paraevitar fugas.

o En lo que se refiere a los circuitos demando, su coexistencia con el circuito depotencia se hace habilitando zonas de pasoespecíficas y empleando una conexiónapropiada. Asimismo los elementos auxiliares(a partir de la elección de la forma 3) estánaislados de las otras unidades; además estánsometidos a un entorno menos severo en elplano térmico y electromagnético.

Elementos:

Aparamenta

Cuadro BT

Tecnología de la aparamenta

Fija

Tecnología del cuadro

Pletina desenchufable(o seccionable)

Cajón

Fijo

Desenchufablesobre zócalo

Desenchufablesobre carro ochasis

Desenchufable

n La conexión de la aparamenta

Esta función básica tiene importancia en ladisponibilidad y el mantenimiento. Dosfactores que dependen del tipo de instalaciónde la aparamenta: fija, seccionable odesenchufable .

Recordemos que:

o un aparato se denomina fijo cuando senecesitan herramientas para desconectarlo dela red,

o un aparato se denomina seccionable, sobrezócalo o sobre chasis (para un aparatopesado), cuando puede desplazarse hasta unaposición en la que queda una distancia deseccionamiento entre los elementos deconexión aguas arriba y aguas abajo,

o un aparato desenchufable es el que tienesu conexión aguas arriba seccionable y suconexión aguas abajo fija.

Asimismo, estos modos de conexión estánligados a la tecnología de los cuadros, quepueden ser fijos, seccionables (por racks) odesconectables (figura 4 ).

Por ejemplo: un aparato seccionable puedehacerse o bien en un bastidor de racks quesostengan aparatos fijos, o bien en un cuadrofijo que soporte aparatos seccionables (sobrezócalo o sobre chasis).

Fig. 4: Los diversos montajes posibles de la aparamenta en un cuadro BT.

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En el diseño de un cuadro hay que hacerreferencia a las normas que regulan elámbito general de la BT y además,específicamente, a las normas que serefieren a los montajes (armarios, pupitres, ...).El respeto a estas normas es la garantíamínima para un nivel determinado decalidad y seguridad.

Las normas CEI 60 439-1, EN 60 439-1definen las disposiciones constructivas, lascaracterísticas técnicas y los ensayos aefectuar para el diseño y montaje deconjuntos denominados «tipo»:

n los equipos fabricados conforme a lostipos, se denominan «Montajes Serie» -ES-,

n los equipos que se derivan (por ejemplopor el cálculo) se llaman «MontajesDerivados en Serie» -EDS-.

Se hace referencia a las normas en elCuaderno Técnico nº 145, que trata de losestudios térmicos de los cuadroseléctricos BT.

El dominio de las transferencias térmicasdentro de un cuadro permite tener laseguridad de que no se alcanzarán lastemperaturas límite en materialesinstalados. Este problema se resuelve conla mejora de la ventilación y, eventualmente,con la selección técnica de la aparamenta.Una vez resuelto el problema, la fiabilidadqueda en su valor nominal.

Estos estudios térmicos forman parte delconjunto de trabajos actualmentedesarrollados por los servicios técnicos deMerlin Gerin, destinados a dominar lascaracterísticas técnicas de los cuadros BT,destacando los siguientes aspectos:

n las conexiones de potencia (que definenun cierto número de parámetros en funciónde la corriente),

n las resistencias mecánica y térmica alcortocircuito , antes citadas, (que se hace apartir de su modelización en el ordenador),

n la instalación de control-mando (pormedio de estudios y de ensayos),

n la seguridad de la red de baja tensión(obtenida de los datos de tablas).

Otro de los diferentes trabajos para dar comoválida la teoría y garantizar el funcionamientode un montaje es el que los cuadros sesometen a numerosos ensayos, (ver lasnormas antes citadas):

n verificación de los límites de calentamiento,

n verificación de las propiedades dieléctricas,

n la resistencia a los cortocircuitos,

n continuidad del circuito de protección,

n distancias de aislamiento y de línea de fuga,

n funcionamiento mecánico,

n grado de protección.

Igualmente, para satisfacer las necesidades,así como asegurar que se mantenga el nivelde calidad deseado, el proyecto, el proceso deindustrialización y la fabricación en sí mismade los cuadros BT deben de hacerse conrespeto a las normas, metodologías ycontroles de calidad (figura 5 ).

2.2 La garantía funcional del cuadro

Fig. 5: Un equipo de BT durante los ensayos «...paracumplir la necesidades y las prestaciones de calidadexigibles» (servicio de equipos BT, Merlin Gerin).

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La disminución de la aparición de fallos, y deltiempo de interrupción que de ello se deriva,mejoran la seguridad y la productividad de laempresa.

Además, actualmente los usuarios reclamanun nivel de seguridad «a la medida», enresumen, una instalación adaptada a sus

3 Seguridad en función de la necesidad

necesidades. La noción de optimización es,pues, capital y se trata de responder al justonivel exigido y al mejor precio.

Para hacer posible esta adecuación, losconstructores, los instaladores y losproyectistas deben dominar los parámetros deseguridad de funcionamiento de unainstalación.

3.1 Características de la garantía de funcionamiento

nnnnn Las magnitudes de la garantía defuncionamiento

Las nociones de garantía de funcionamiento(la fiabilidad, la mantenibilidad, ladisponibilidad y la seguridad) no sonindependientes las unas de las otras (figura 6 ).

ooooo La fiabilidad es la capacidad de un sistemade funcionar correctamente el mayor tiempoposible. El MTTF (Mean Time To Failure)tiempo medio de buen funcionamiento antesdel primer fallo es un modo de cuantificar lafiabilidad.

ooooo La disponibilidad es el porcentaje detiempo durante el que el sistema funcionacorrectamente. El MTBF (Mean Time BetweenFailure) tiempo medio entre dos fallos de unsistema reparable es un medio de cuantificarla disponibilidad.

ooooo La mantenibilidad es la aptitud de unsistema para ser reparado rápidamente. ElMTTR (Mean Time To Repair) duración mediade reparación es un medio de cuantificar lamantenibilidad.

ooooo La seguridad es la capacidad de unsistema para no poner en peligro a laspersonas.

nnnnn La seguridad de funcionamiento aplicada alos conjuntos o instalaciones.

Un estudio de garantía de funcionamientotiene los 4 pasos siguientes (figura 7 ):

ooooo expresión y análisis de las necesidades.

Búsqueda de criterios de garantíarepresentativos de las preocupaciones delcliente (disponibilidad, seguridad...), de lospuntos de la red donde estos criterios seanalizarán (puntos estratégicos de la red -Cuadernos Técnicos 144 y 184).

ooooo análisis funcional.

Descripción del objeto de la red y suselementos constituyentes.

ooooo análisis de disfunciones:

– búsqueda de los tipos de fallo de cada unode los elementos que compone la red y susconsecuencias en el sistema (análisis de losmodos de fallo),

Fig. 6: Nociones de fiabilidad y disponibilidad.

Funcionamiento correcto Funcionamiento correctoReparación

Disponibilidad

Alerta (1)

(1): tiempo de detección del fallo y tiempo de preparción para intervenir

Primerdefecto

Segundodefecto

Tiempo deintervención

Puesta enservicio

Tiempo0

IndisponibilidadFiabilidad

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Fig. 8: Ejemplo de red de distribución eléctrica.

T1 GE

m1

Q1

v1

B1B1

m3

Q3

v3

C3

R3

Zona deutilizaciónU3

B1

m4

Q4

v4

B1

v2

Q2

m2

B1

Q5

Entrada 2Entrada 1

J de B principal - B1 -

Red del suministrador

Fig. 7: Fases cronológicas de la realización de un estudio sobre garantía de funcionamiento.

Análisis de las necesidades del cliente

Parámetrosa evaluar

Puntos de la red dondemedir los parámetros

Especificacionesdel sistema

Análisis funcional del sistema

Funciones y componentesafectados

Análisis de los tipos de fallo

Defectos posiblesdel sistema

Búsqueda de datos

- Tasa de fallos de los componentes- Tiempos de reparación- Frecuencias funcionales

Modelización

Leyenda

Evaluación de loscriterios de seguridad

Análisiscualitativo

Fase de estudio

Conclusionesde la fase

Datos necesariospara realizar

una fase del proceso

Datos necesarios parala realización dela fase siguiente

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– modelización de las disfunciones delsistema.

Un modelo es una representación gráfica de lacombinatoria de fallos posibles del sistemaque lleva a descubrir los defectos defuncionamiento que interesan;

ooooo el análisis de la arquitectura a través de unanálisis cualitativo y/o cuantitativo:

– búsqueda de los puntos débiles de la red,

– búsqueda del impacto de la política demantenimiento sobre las prestaciones delsistema,

– estudio del compromiso coste/prestacionespara poder hacer un estudio comparativo de laarquitectura y la política de mantenimiento.

En función de las espectativas del cliente y delos datos de entrada disponibles, se puedenhacer dos tipos de análisis (Cuaderno Técnico184):

– estudio rápido o primera aproximación esun estudio pesimista que permite hacerrápidamente elecciones técnicas y compararlas arquitecturas,

– estudio detallado es un estudio que permitecuantificar la red a analizar, con valoresmenos pesimistas y más próximos a lasprestaciones reales.

n Ejemplo de análisis cuantitativo de unaarquitectura.

ooooo En la instalación a considerar, lofundamental es la disponibilidad de la energíaeléctrica de utilización en U3 de la figura 8 .

ooooo Los análisis de disfuncionamiento se hacenelaborando un árbol de fallos que representagráficamente los fallos que llevan a un sucesono deseable, la ausencia de energía en U3(figura 9 ).

Los defectos que llevan a un sucesoindeseable se pueden clasificar en cuatrogrupos:

– no-disponibilidad de la entrada. Cadaentrada puede alimentar sólo el conjunto de lared de BT del que depende la utilización. Elgrupo electrógeno está ahí para suplir loscortes de red del distribuidor;

– no-disponibilidad entre el juego de barrasprincipal B1 y la utilización. Agrupa el conjuntode no-disponibilidades de los elementos quese encuentran en la línea aguas arriba, desdeel juego de barras principal hasta el punto U1;

– no-disponibilidad debida a desconexionespor cortocircuito. Se llama deconexión por

cortocircuito a todo cortocircuito que seproduzca en una salida paralela a la salidaconsiderada, y cuya interrupción, realizada enun nivel superior a estas salidas, lleva aquedarse sin tensión.

Es pues necesario sumar todas lasprobabilidades de cortocircuito, descendiendopor cada una de las derivaciones de salidaparalelas, hasta el primer órgano deprotección.

Aguas abajo, una desconexión porcortocircuito sólo es posible si se produce uncortocircuito y un fallo de la protección, lo quecorresponde a una probabilidad despreciable.

– no-disponibilidad por «mantenimiento fijo».El mantenimiento fijo es el término empleadopara indicar que el tiempo de reparacióndepende del tipo de instalación (fija oseccionable) e influye en la explotación deotras salidas.

Ejemplos (figura 8 ): la utilización de U3 quedaafectada por la reparación de Q5, que,montado de forma fija, necesita el corte de laalimentación de entrada; en tanto que, lareparación de Q4, seccionable, puede hacersecon el JdB bajo tensión y, por tanto, sinrepercusión en la utilización de U3.

ResultadosLos resultados que se dan a continuación sonlos que corresponden a valores habitualmenteencontrados de fiabilidad y de MTTR paratodos los elementos de la red.

Los resultados se presentan como partes dela no disponibilidad de cada uno de los cuatrogrupos de fallo indicados antes.

– entrada 49%

– entre el JdB y la utilización 44%

– desconexiones por cortocircuito 1%

– mantenimiento fijo 6%

La política de mantenimiento influye tambiénen las prestaciones del sistema. Por ejemplo,si el tiempo medio que se tarda en poner enfuncionamiento una sección después de unfallo pasa de 48 a 24 horas, el número dehoras de no-disponibilidad en U3 se dividepor 2.

Este análisis aclara los diversos puntos quese pueden tener en cuenta para hacer unanálisis cuantitativo.

El capítulo siguiente estudia puntos citadosanteriormente y los que se suelen tratar en unanálsis cuantitativo.

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Fig. 9: Árbol de fallos del esquema de la figura 8 .

y

o

Int. aut. Q3defectuoso

Sin servicio en ZONA U3

Fallo enel JdB 1

Fallo en lalínea C3

Pieza deconexión aguas

abajo de V3defectuosa

Receptor R3defectuoso

Transformador T1defectuoso

Fallo MTde red 1

Int. aut. Q1defectuoso

Pieza deconexión aguas

arriba de M3defectuosa

Pieza deconexión aguas

abajo de V1defectuosa

Pieza deconexión aguas

arriba de M1defectuosa

Indisponibilidad por«mantenimiento fijo»

Indisponibilidad de la entrada(por encima delJ de B principal)

Indisponibilidad entreel J de B principal y la zona de utilización

Indisponibilidad debidaa desconexiones por

cortocircuitos

Sin tensiónen la rama

«entrada 1»

Sin tensiónen la rama

«entrada 2»

o

G.E.defectuoso

Int. aut. Q2defectuoso

Pieza deconexión aguas

abajo de v2defectuosa

Pieza deconexión aguas

arriba de m2defectuosa

o

Cortocircuitoen la rama 4

Cortocircuitoen la rama 5

o

o

Cabledefectuoso

y

Interruptorautomático Q5

defectuoso

Reparación deQ5 > desconexión

de la entrada

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Cuaderno Técnico Schneider n° 156 / p. 16

3.2 Conceptos de seguridad industrial

El diseño de una red debe de responder a lasexigencias específicas del cliente. En todosistema, basta que haya un elemento débil,para que la seguridad del conjunto quede enentredicho.

Así, para no encontrarse al volante de unfórmula 1 «a pedales», es aconsejable valorarla importancia de diversas soluciones técnicasen lo que se refiere a la seguridad, y:

ooooo el esquema (acometida, utilización final,esquema de conexión del neutro),

ooooo las conexiones,

ooooo los arcos eléctricos,

ooooo los «tipos de cuadro» (forma, conexiones,aparamenta fija o seccionable, IP...),

ooooo las salidas a motor en rack extraíble,

ooooo los elementos auxiliares de mando ycontrol.

La seguridad ya desde el esquema

El elemento más importante para el trazado deuna red eléctrica es el esquema de laacometida.

Otros elementos, como el tipo de receptores,el número de interruptores automáticos demantenimiento fijo o el esquema de conexióna tierra, pasan a un segundo término.

nnnnn El esquema de la acometida

La seguridad del suministro repercute entodos los receptores, críticos o no, y sedemuestra que es importante, en la medida de

lo posible, conseguir una configuración deentrada coherente con las necesidades aguasabajo. (Figura 10 ).

La solución adoptada dependerá del entornodonde se use. Por ejemplo:

– en ciertas zonas, es posible disponer dedos entradas MT derivadas de centros detransformación diferentes. Esto reduce elmodo común debido a la no disponibilidadde AT;

– en una zona aislada, esta solución puedeser impensable; en este caso se puedeproponer una producción autónoma con grupoelectrógeno de emergencia;

– determinados sectores industriales(químico, petroquímica, papeleras, ...) por sufabricación ya disponen de energía (a menudoen forma de vapor) que utilizan para accionargrupos turbo-alternadores. La red dedistribución pública es entonces utilizadacomo soporte.

Nota: en el caso de que la entradaconsiderada no pueda soportar cortes breves,puede resultar imprescindible recurrir a unSAI. Pero no hay que olvidar que este tipo deaparato tiene limitada su autonomía a la de subatería, que suele ser de 15 minutos.

ooooo Separación en salidas preferentes y nopreferentes. La búsqueda de una buenadisponibilidad de la energía lleva, casisiempre, a separar los consumidores en dostipos:

Fig. 10: Esquema simplificado de una red.

Red del suministrador

GTR

Conmutadorde fuentes

JdB no-seguro

JdB seguroInterruptor conrearme manual

Interruptor conrearme automático

SAI (UPS)

Indisponibilidad:

Tipo de servicios:

Algunashoras

Sin importancia

Algunossegundos

Preferentes

Ninguna(alta calidad)

Vitales

Algunosminutos

Prioritarios

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Cuaderno Técnico Schneider n° 156 / p. 17

– los preferentes,

– los no-preferentes.

En caso de sobrecarga o corte en la fuenteprincipal, los suministros no-preferentesquedan desconectados y los preferentesacceden a la potencia disponible en unafuente alternativa (una segunda entrada MT oun grupo electrógeno).

o Dispositivos de conmutación

En caso de fallos, la conmutación puedehacerse sobre fuentes de reserva, noutilizadas en funcionamiento normal, o sobrelas fuentes de salida no-preferentes, con ladesconexión de estas últimas.

Así se pueden considerar tres tipos deconmutaciones (Cuaderno Técnico n° 161):

– síncrona:

La fuente principal y la fuente de reemplazoson o tienen la posibilidad de estarsincronizadas, lo que permite realizar unaconmutación sin corte de la alimentación a losreceptores. Este procedimiento es utilizado enlas instalaciones de alto nivel de seguridad.

– con tiempo muerto:

Es el tipo de conmutación más usado. Conduraciones de conmutación que varían de 0,4a 30 segundos, es muy utilizado en la industriay los servicios.

– pseudo-síncrona:

Se usa un dispositivo de conmutación rápido(60 a 300 ms), por ejemplo, en sectores como:

– químico,– petroquímico,– centrales térmicas.

n La utilización final

En el caso de las redes usadas en esteejemplo (figura 8 ), la no-disponibilidad debidaa la de los receptores es del 5% (figura 11a ).Según las características de los receptoresutilizados, la parte de no disponibilidad debidaa ellos puede variar entre el 5 y el 70%.

Es necesario, pues definir bien lascaracterísticas técnicas de los receptoresfrente a sus condiciones de empleo, así comolos procesos de mantenimiento destinados aprevenir cualquier fallo.

La mayor parte de los fallos eléctricos de losmotores se deben a defectos fase/masa queaparecen en el momento del arranque delmotor. El control del aislamiento cuando elmotor está parado, especialmente con elVigilohm SM 21 de Merlin Gerin, permite:

o programar un mantenimiento preventivo,

o evitar un deterioro irreversible del motor.

n Esquemas de conexión del neutro a tierra(Cuadernos Técnicos nº 172 y 173).

Fallo de entrada: 98 % debidos a falta de AT pública, 2 % debidos a fallos de las redes MT, aproximadamente un 0% debido a los interruptores automáticos

Fallos de uso del terminalo aparato (cables y motores)

50 %

5 %

45 %

Fallos de la distribución BTy de los aparatos de mando y maniobra

ITTT TN

Indisponibilidad

Esquema de conexióna tierra del neutro

N.B. : en régimen IT, la indisponibilidad se calculaconsiderando la reparación obligatoria del primer defecto

Fig. 11: La no-disponibilidad de una entrada puede representar una parte muy importante de la no-disponibilidad total, aquí, un 50%.

A) Distribución de la no-disponibilidad en la salida B) No-disponibilidad en la salida en función delesquema de conexión a tierra

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Los tres esquemas de puesta a tierra delneutro son:

o el esquema TT (neutro a tierra y conductorde protección eléctrica a tierra),

o el esquema TN (neutro a tierra y conductorde protección eléctrica al neutro),

o el esquema IT (neutro aislado y conductorde protección eléctrica a tierra).

El esquema de puesta a tierra del neutro tieneinfluencia sobre la disponibilidad y la facilidadde mantenimiento por el hecho del corte o nodel circuito al primer defecto (en el caso de losesquemas TN y TT). Además, la corriente dedefecto a tierra depende del esquema deconexión y condiciona la importancia de losdaños ocasionados a la instalación y, sobretodo, a los receptores (figura 12 ).

El histograma de la figura 11b representa losresultados de un estudio de fiabilidad. Elesquema de conexión IT, con un dispositivode búsqueda rápida (automático) del primerdefecto, es el que ofrece la mejordisponibilidad, porque permite:

o no interrumpir la explotación (continuidaddel ciclo de producción en curso),

o la reparación del defecto durante una fasede no funcionamiento,

o la preparación de los trabajos de reparacióndurante la producción, y por tanto, gananciaen facilidad de mantenimiento.

Además, el esquema de conexión IT esaconsejable en los casos siguientes:

o existencia de receptores sensibles a lascorrientes de defecto importantes,

o riesgos de incendio importantes,

o utilización de grupos electrógenos desocorro (para evitar el deterioro del alternadorcon defecto interno),

o necesidad de un alto nivel de seguridad(disponibilidad + seguridad), por ejemplo, en lasala de operaciones de un centro médico,donde, además, es obligatorio.

Nota: en el esquema de conexión IT, laprobabilidad de desconexión comoconsecuencia de un segundo defecto (si éstese produce durante el tiempo de búsqueda ysupresión del primer defecto) es menor que en

el esquema de conexión TN o TT, porquenecesita la presencia simultánea del primer ydel segundo defecto sobre fases distintas.

Se ha visto antes que el estudio del régimende neutro es importante. Una vez fijado éste,queda por escoger los materiales (cuadro yaparamenta), buscando una ciertahomogeneidad en las fiabilidades de losdiferentes eslabones que determinan la no-disponibilidad final.

La seguridad y las conexionesPuesto que un cuadro eléctrico tiene un grannúmero de conexiones es importanteinteresarse en los fallos que pueden provocar.

Se tiene un fallo de conexión cuando ésta notransporta la energía eléctrica para la que hasido dimensionada. En este caso, se produceun calentamiento local que puede provocar ladestrucción del aparato y/o de los cables.

La importancia de controlar bien los problemasde las conexiones se ilustra en la figura 13 .La mayor parte de las las causas de nodisponibilidad se debe a diversos fallos(acometidas, aparamenta...). La parte debidaa las conexiones no es despreciable.

Conviene distinguir las conexiones realizadasen fábrica de las realizadas «in situ»; estasúltimas, estadísticamente, son las que másfallan.

De la práctica se deduce que la seguridadpuede ser notablemente mejorada por:

o superficies de contacto bien dimensionadas(recubrimiento),

o estado cuidadoso de estas superficies(planas, limpias),

o un par de apriete adaptado a los materiales.

La seguridad y los arcos eléctricosn No-disponibilidad debida a los arcos

En los cuadros, los arcos eléctricos puedendeberse a causas muy diversas, por ejemplo,la intrusión de pequeños animales (ratas yhasta reptiles), la presencia de objetosolvidados en los trabajos de mantenimiento, ladegradación de los materiales por el calor, oincluso, los depósitos de polvo conductor.

Fig. 12 : La elección del esquema de conexión del neutro a tierra afecta directamente a la seguridad y a lafiabilidad de la instalación.

esquema TT TN IT

acción después de un desconexión desconexión n prosigue la explotacióndefecto de aislamiento inmediata inmediata n búsqueda del defecto

n preparación antes desconexión

importancia de la corriente algunas decenas varios kiloamperios algunas decenasde defecto (condiciona de amperio (cortocircuito) de miliamperios (1er defecto)daños de la instalación)

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Los daños debidos a los arcos son a menudoimportantes. Suponen un tiempo de paradaque puede alcanzar algunos centenares dehoras para un cuadro «ordinario». En tantoque, para un cuadro «mejorado», este valor sehace despreciable, puesto que estas paradasquedan limitadas solamente al tiempo dereordenación de la distribución (apriete de loscables, limpieza de las superficiescarbonizadas...) o sea, aproximadamente unahora. Para evitar esta no-disponibilidad,conviene actuar sobre los tres puntossiguientes:

o riesgos de aparición de los arcos,

o duración del arco,

o propagación de los arcos eléctricos dentrodel cuadro.

Aparte de que estas acciones llevan a reducirel tiempo de reparación, tienden, también adisminuir la importancia de los desperfectosdebidos a los arcos.

n Evitar la aparición de los arcos eléctricos

Más vale prevenir que curar, y por tanto,actuar sobre las causas de la aparición de losarcos eléctricos, así:

o los cebados de arcos por perforacionesdieléctricas no se producen, si:

– se eligen bien los materiales,

– se respetan las líneas de fuga y lasdistancias de aislamiento.

o la penetración de objetos o cuerposextraños, incluído polvo conductor y la entradade pequeños animales son el origen de

Entradas

20 salidas

Indisponibilidaddebida a las conexiones

Indisponibilidad debida a:- la entrada MT,- el transformador,- la aparamenta...

Fig. 13 : Las no-disponibilidades debidas a las conexiones representan una parte no despreciable de lascausas de no disponibilidad del sistema.

numerosos arcos eléctricos en los armariosBT. Para evitarlos, las envolventes deben deestar pensadas:

– estudio de la forma,

– elección del IP,

– colocación de filtros...

o después de la ruptura (caso de uncortocircuito o de una sobrecarga) salen apresión del aparato de protección gasesionizados. Estos gases pueden provocar uncebado, por ejemplo en un juego de barrasque se halle en su proximidad. Este riesgo seevita con una estructura bien pensada y/o conpantallas juiciosamente dispuestas,

o una conexión defectuosa puede provocar laaparición un arco. Para evitarlo, lasconexiones deben estar adecuadamenteapretadas (ver § «la seguridad y lasconexiones»).

n Limitar la duración del arco

Conviene reducir al máximo el tiempo de arcopara limitar los daños que ocasiona. A talefecto se pueden tener en cuenta diversassoluciones:

o regular al mínimo el ajuste de «retardo» enlos interruptores automáticos (proteccióncontra los cortocircuitos), pero manteniendo laselectividad. Estos tiempos denominados de«corto-retardo», destinados a conseguir unaselectividad cronométrica, retardan ladesconexión de los interruptores automáticosen caso de cortocircuito y con ello alargan laduración del arco.

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Hay que destacar que, cuando puedeemplearse la selectividad lógica, constituye lamejor solución, por cuanto permite unaselectividad absoluta con retardos mínimos,cualquiera que sea el nivel de la distribución.

o emplear aparatos limitadores

Estos aparatos cortan muy rápidamente lascorrientes de cortocircuito, limitando así lacorriente de defecto. Esto tiene el efecto dereducir la duración del arco y con ello limitarlos efectos térmicos.

o Escoger una protección con un tiempo «decaída» importante (y un aparato que guardeen memoria los defectos transitorios).

El arco tiene la particularidad de ser undefecto transitorio por dos razones:

– por una parte, un arco puede apagarserápidamente por la disposición de loselementos en el cuadro. Pero los gasesionizados que se generan pueden provocarrecebados en otras partes con tensión. Se

pueden producir muchas secuencias deextinción y de recebado,

– por otra parte, su impedancia varía enfunción de su velocidad de desplazamiento yde los obstáculos que encuentra.

Sin embargo, cada vez que aparece, todo elequipamiento sufre diferentes esfuerzos que,además, suelen sumarse.

La respuesta a este problema se halla en lossistemas de protección que integran el defectoen el tiempo: cuando aparece un defecto ydespués desaparece (o pasa por debajo delumbral antes de la desconexión del aparato deprotección) esta «información», en tiempo y enintensidad, debe conservarse a nivel de laprotección para provocar una desconexión siel defecto se repite, o si se presentan brevessobrecorrientes. Así, un interruptor automáticoBT puede guardar en su memoria elcortocircuito y no «reinicializarse» más queprogresivamente (figura 14 ).

Fig. 14: Un interruptor Masterpact de tipo «abierto» dotado de una unidad de control STR 68 mantienetemporalmente en memoria los cortocircuitos.

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n Impedir la propagación en el cuadro

Las leyes de la física hacen que el arco sealeje de su origen y se desplace rápidamente.Al objeto de reducir las consecuencias para laexplotación, el arco no debe extenderse a todoel cuadro. Conviene controlar el arco durantetoda su duración:

o tabicando completamente las diferenteszonas del cuadro; los tabiques y travesañosaislantes evitan que el arco, por sí mismo opor sus gases ionizados, se propague,

o creando trampas de arco que hagan posiblesu extinción, tales como:

– envolver el juego de barras con materialesaislantes,

– geometrías del JdB que alarguen el arco.

La seguridad y las «opciones» del cuadroLa forma de acceder a las conexiones (pordelante, o por detrás), el modo de instalaciónde los aparatos (fijo o seccionable) y el gradode protección son otras tantas de las opcionesposibles en la realización y/o la compra de uncuadro BT.

Todas estas posibilidades de elección sonimportantes para la disponibilidad de laenergía en una salida determinada.

Recordemos las formas citadas al principio deeste Cuaderno (figura 3 ).

Comparemos la forma 1 «aberturas notapadas» con una forma 2 «aberturas deacceso de los cables tapados».

La expresión abreviada «aberturas de accesode los cables tapados» significa que el usuarioha tenido el cuidado de hacer pasar los cablesa través de un fondo de chapa provisto depasa-cables.

Nota: esta disposición se considera en elempleo de una forma al menos igual a laforma 2.

Con este ejemplo es fácil comprender que unaelección juiciosa de la forma mejora ladisponibilidad, pues afecta a:

– la probabilidad de aparición de defectos(hace imposible la entrada de roedores),

– la propagación de un arco (presencia deuna barrera).

Para una buena disponibilidad es por tantointeresante prever un cierre de los cuadros BT(forma 3) y aún más a nivel de las conexionesde los cables exteriores (forma 4) por cuanto,como se ha visto antes, éstas son el origen dela mayor parte de los fallos (ver § «laseguridad y las conexiones»).

n Conexiones por delante o por detrás

El lugar reservado al equipamiento eléctrico,durante el diseño de los locales, condicionamuy a menudo el tipo de conexiones a realizaren el cuadro. Esta exigencia influye sobre ladisponibilidad.

Un cuadro con las conexiones por delante es, amenudo, de difícil acceso, lo que provocatiempos de reparación importantes comparadoscon la doble accesibilidad obtenida con unaconexión por detrás (figura 15 ).

Pasillo paraservicio técnico estrecho

Pasillo paraservicio técnico

Fig. 15: Un buen compromiso entre la mantenibilidad y la superficie ocupada puede conseguirse con un cuadrocon el conexionado por la parte delantera y con un pequeño pasillo de servicio por la parte posterior.

a) Cuadro conconexionado por laparte delantera;cuadro adosable ala pared.

b) Cuadro conconexionado por laparte delantera y conun pequeño pasillo deservicio.

c) Cuadro conconexionado por laparte posterior, con elimprescindible pasillode servicio técnico.

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Hay que destacar que la no-disponibilidad deun cuadro que tiene las conexiones pordelante es todavía más importante si losaparatos se han montado «fijos» y senecesitan herramientas para desmontarlos.

Para mejorar la facilidad de mantenimiento deun cuadro con conexiones por delante,previsto para quedar adosado a una pared,conviene prever un estrecho pasillo técnicopor detrás.

n Fijo o seccionable

La disponibilidad puede mejorarse con laelección de un aparato seccionable. A partedel hecho de que su mantenimiento es másrápido, es necesario también considerar queno tiene influencia alguna en las salidaspróximas.

En efecto, el seccionamiento se hace sincarga (circuito abierto), pero con tensión, conlo que no es necesario cortar aguas arriba einterrumpir así la alimentación de otras salidasen paralelo.

Sin embargo, la opción «seccionable» puedeno presentar ventajas cuando los cortes sonfrecuentes (fuentes poco fiables, cables dealimentación únicos y con riesgos...), ocuando, debido a un mantenimiento muy fácil,no se influye en las otras salidas.

Por el contrario, en el caso de un cuadro conconexiones por delante de forma 2, el interésde utilizar interruptores automáticos«seccionables» es evidente.

n Grado de protección (figura 2 )

Sólo se consideran en este párrafo las dosprimeras cifras características del IP(penetración de cuerpos sólidos y de líquidos).

La primera cifra indica el tamaño máximo delos objetos o de las partículas susceptibles depenetrar en el cuadro y limita con ello eltamaño de acceso a las partes con tensión.Esta cifra (del 1 al 6) es tanto más alta cuantomás pequeño es el tamaño.

La segunda cifra se refiere a los líquidos eindica el nivel de estanqueidad obtenido por:

o tejadillos, casquetes, o pasos en zig-zagcontra las proyecciones verticales uhorizontales de líquidos,

o juntas y dispositivos apropiados quepermiten conseguir una estanqueidad totalpara que las envolventes puedan estarsumergidas.

En conclusión, cuanto mayores sean las dosprimeras cifras características del IP, mejorserá la protección.

Sin embargo, todos los aparatos eléctricos secalientan y la mayor parte tienen un límitetérmico.

Por tanto una estanqueidad excesiva se oponea una buena ventilación del cuadro, por lo quepuede ser nefasta para el buenfuncionamiento de su aparamenta.

Fig. 16: Ejemplos de grados de protección mínimos (según NF C 15-100 y la guía práctica UTE C 15-103).

Sectores de ejemplo Ejemplos Grado IPlocales (emplazamientos) habitaciones 20domésticos aseos 27locales técnicos servicio eléctrico 20

equipo de aire acondicionado 24cámara frigorífica 25

salas de máquinas y locales anexos motores de fuel 20(potencia > 70 kW) motores de carbón 60

calderas de carbón 61garajes y parkings talleres 21(superficie > 100 m2) zona de lavado 25edificios de uso colectivo despachos 20

salas deportivas 21grandes cocinas 25

locales (o emplazamientos) almacén de vinos 23en las explotaciones agrícolas gallinero 35

almacén de forraje 50establecimientos industriales electrólisis 03

fabricación de cartón 33canteras 55

locales comerciales y anexos galerías de arte 20droguerías 33panaderías 50ebanisterías 50

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Fig. 17: Vista de detalle de un cuadro BT del tipoMCC con racks extraíbles (modelo MB400 - MerlinGerin).

Esto es así, a menos que se prevea laevacuación de las calorías y/o se haga unabuena elección de los aparatos.

El entorno, más o menos exigente, y lascualidades de los componentes del cuadrofijan la elección del grado de protección. Losniveles de protección requeridos, según el tipode locales, se recogen en la figura 16 .

La seguridad y la salida a motor en rackextraible-seccionable

En las industrias de procesos se utilizannumerosos cuadros MCC, denominados «deracks seccionables» (figura 17 ).

Normalmente, en los casos de mando demotores se exige una buena continuidad de laexplotación. El rack extraíble es la soluciónporque permite un mantenimiento fácil yrápido: una salida defectuosa se reemplazainmediatamente por un equipo idéntico,manteniendo el cuadro con tensión.

Un rack que alimenta un motor puede estarconstituido por un conjunto fusible-contactor-relé térmico, o por un conjunto interruptorautomático-contactor-relé térmico.

En cuanto a la disponibilidad, estas dosconfiguraciones son prácticamente iguales enfuncionamiento normal, pero difieren muchoen caso de fallo del contactor.

En efecto, cerca del 20% de los fallos de lassalidas se deben a los contactores (loscontactos quedan pegados) y con elinconveniente añadido de la extracción de uncajón con el contactor defectuoso. Esentonces necesario abrir el circuito depotencia; lo que es fácilmente posible con unaasociación interruptor automático-contactor,pues basta con abrir el interruptor automático.En el otro caso (asociación fusibles-contactor)es necesario cortar la tensión al nivel deinterruptor general..., y todas las otras salidasde motor quedan entonces cortadas.

La seguridad y los auxiliares de control-mando

Los fallos de los elementos auxiliares son losde los relés, las conexiones o su alimentación.

La instalación del cableado, hilo a hilo, deestos elementos auxiliares es larga y estásometida a los errores de los montadores, loque puede originar cualquier tipo de fallo.

Para solucionar esto Merlin Gerin hanormalizado toda esta problemática deconexionado en sus productos (Digibloc,Dialpact, ...). Se trata de tarjetas o módulos decontrol-mando unidas con cable-cinta deconexión o con conexiones digitalesnormalizadas. Estos elementos centralizan lasinformaciones y permiten realizar distintosesquemas de mando.

Las modificaciones de estos esquemas seefectúan, simplemente, configurando estastarjetas o por la asociación de nuevosmódulos.

Con esto se consiguen muchas ventajas:

n ganancia de tiempo de instalación,

n mejor fiabilidad, suprimiendo los errores decableado,

n tiempo de reparación limitado al tiempo decambio de una tarjeta o módulo,

n fácil evolución del sistema.

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En la construcción de redes BT es posibleutilizar numerosas opciones técnicas queofrecen niveles de seguridad diferentes. Pero¿con cuál quedarse? Cada una de ellas tiene elefecto deseado cuando se aplica en el sitioadecuado.

A título de ejemplo, el empleo de una forma 4es muy útil, con la condición de estar exenta dedefectos mayores en la instalación.

La respuesta lógica en el diseño de una red BTno será, pues, el elegir e instalar al azarmultitud de materiales eficientes y fiables,convencido de que «al menos en esto uno sequeda tranquilo».

De hecho cada aplicación o ámbito deutilización de la energía eléctrica de BTrequiere un nivel de seguridad adaptado almismo. Éste depende, por ejemplo, del sectorde actividad y de los imperativos de laexplotación (figura 18 ):

n El sector-servicios (terciario) está constituidopor los pequeños comercios, escuelas..., hastagrandes superficies, bancos, inmuebles dedespachos, grandes hospitales.

n La industria agrupa principalmente todas lasfábricas (automóviles, aeronáutica, textil, ...).Tiene determinadas necesidades dedistribución (protección y estructura de la red) ynecesidades ligadas a los procesos defabricación (mando motor, servidumbres); elproceso es muy importante en la produccióncontinua de la industria petroquímica, lasfábricas de cemento, la industria agro-alimentaria...

¿En qué aspecto representan estos sectoresnecesidades diferentes? Accidentes como el deBHOPAL (diciembre 1984), TCHERNOBYL(abril 1986) y PASADENA (octubre 1989) handemostrado la existencia de riesgosconsiderables para las personas y susentornos. De ahí la frecuente pregunta «¿esesto seguro?».

De hecho, no tiene sentido preguntarse «¿esseguro este equipo o este diseño?». Porimprobable que sea, un fallo siempre puedeproducirse; la pregunta correcta es, pues, «¿esesto suficientemente seguro?».

Para todos los sectores esto se traduce en laelección de un nivel aceptable de probabilidadde peligro (en términos de seguridad) y degarantía de funcionamiento (en términoseconómicos):

n En las telecomunicaciones, France-Telecomtiene una probabilidad de no-disponibilidad de1 h/siglo para las centrales telefónicas(λ < 10-6 h-1).

n En el transporte aéreo, se han fijado doscondiciones de seguridad:

o que todo fallo «global catastrófico» seaextremadamente improbable (λ < 10-9 h-1),

o que todo fallo «crítico» sea extremadamenteraro (λ < 10-7 h-1). Esta cifra se puede compararcon la probabilidad (λ < 10-6) de que un serhumano pierde su vida en la próxima hora.

n En la banca, los cortes de la alimentaciónprovocan, no sólo la pérdida de datos, sinotambién registros de operaciones erróneas. Loscostes de rastreado y de recuperación de loserrores son los elementos de referencia.

n En los hospitales es la seguridad de laspersonas la que hay que considerarinmediatamente en caso de un fallo. Enespecial, los quirófanos y salas dereanimación se estudian para ser lugares dealto nivel de seguridad.

n En medios industriales, los fallos tienentambién una influencia importante en términosde continuidad de servicio. En un artículo deY. Lafargue, aparecido en el periódico«Le Monde», se citan dos ejemplos:

o para BSN, 10 minutos de parada provocan lapérdida de producción de 20000 latas,

o para Peugeot, sobre una producción de 1650vehículos por día, 1 hora de fallo informáticosupone 100 vehículos menos fabricados, o sease dejan de ganar 4 millones de francos. Estopermite entender el interés que puede tener unindustrial en la disponibilidad de la energíaeléctrica, dado que es ella la que mantienetoda la actividad de su empresa.

Así pues, sea en el sector servicios o en elindustrial, los fallos pueden tener repercusioneseconómicas y ocasionar daños e inclusopeligros. Todo lo dicho puede afectar a nuestravida diaria, para la cual un buen servicio, en el99% de los casos (λ = 10-2 ), se traduciría en:

n falta de electricidad o de agua durantealgunas decenas de horas cada año,

n el teléfono y la televisión estarían fuera deservicio más de 10 minutos por semana,

n 400 cartas por hora no llegarían jamás a sudestino.

Mediante estos ejemplos imaginarios seevidencian las consecuencias de la elección deun nivel de seguridad. La tabla de la figura 18 ,sin ser exhaustiva, da la elección másadecuada para una red de BT y para diversossectores de actividad. Para concretar estaelección es necesario definir las necesidades yponer en servicio los conceptos de seguridadvistos en el capítulo precedente.

3.3 Niveles de seguridad requeridos

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Problema a tratar:

Tipos de esquemasde acometida

Exigencias de Muchos receptores Continuidad servicio Circuitos de tierra Continuidad servicio Continuidad serviciode explotación móviles y portátiles, para ciertos sectores, inseguros (canteras), para ciertos sectores, para la mayor parte de

modificaciones riesgo de incendio, alimentación desde utilización de grupos las explotaciones.frecuentes de la utilización de grupos red pública. de emergencia. Riesgo de desperfectosalimentación desde de emergencia. importantes cuando hayredes públicas. defectos de aislamiento

(motores, automatismos)riesgo de incendio.

Esquema de conexión TT IT TT IT ITdel neutro a tierrapropuesto

Numerosos ctos. Ambiente y/o receptores que favorecen el riesgoauxiliares, (máquinas- de defecto de aislamieto.-herramientas),receptores con malaislamiento.

TN Con red TN

Soluciones a adoptar:

Tipo de aparamenta Fija o desconectable o desenchufables Fija o desconectable o desenchufables Fija

Tipo de cuadro Fijo Fijo o con pletinas deconectables Con racks extraíbleso racks extraíbles

Forma del cuadro Forma 1 a forma 4 Forma 2 a Forma 4

Grado protección IP 2 a 5 2 a 5 3 a 5(dos primeras cifras)

Aparamenta demando de motor

– de cadencia baja Asociación fusible - contactor

– de cadencia elevada Asociación interruptor automático - contactor

Tecnología de los Tradicional Estandarizada Tradicional Estandarizadaelementos auxiliares (hilo a hilo) (modulares yde control-mando conectables)

Sector de actividad

Terciario Industrial

Comercio Hopitales Talleres Fábricas Cadenas de fabricación

Fig. 18: Los sectores de actividad y las exigencias de explotación llevan a escoger esquemas de conexión del neutro a tierra; lassoluciones a adoptar dependen entre otras de las formas de armarios utilizadas y de los grados de protección exigidos.

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4 El cuadro, perspectivas de futuro

La evolución de la tecnología del cuadroeléctrico está muy influida por el desarrollo dela GTE (Gestión Técnica de la Electricidad).Por eso, en este Cuaderno Técnico seanalizan las implicaciones de la GTE en laseguridad de funcionamiento. Se demuestra

en los párrafos siguientes que la GTEincrementa la seguridad de la instalación, porla integración de la electrónica y por eltratamiento de la información en el cuadro BTque se convierte en «inteligente».

4.1 La Gestión Técnica de la Electricidad

La GTE (Gestión Técnica de la Electricidad)ya se utiliza en la Gestión Técnica de losEdificios, que sustituye y democratiza laGestión Técnica Centralizada. En todo tipo deedificios industriales, de servicios e inclusodoméstico, se hace referencia a la GestiónTécnica de Edificios, que permite la vigilanciay el control-mando de las funciones y de losservicios, que son generalmente:

n la calefacción y la climatización,

n la seguridad contra incendios,

n la protección contra intrusos,

n el control de los accesos y de los horariosde trabajo,

n los ascensores y el alumbrado,

n la gestión «tarifaria» de la energía.

Ambas, la Gestión Técnica de la Electricidad yla Gestión Técnica de los Edificios,corresponden a una gestión cada vez másdescentralizada por razones de disponibilidad,convivencia y modularidad (ya citados en elcapítulo 1).

El papel de la GTE es la gestión de ladistribución de la energía eléctrica. Ésta vienea complementar las funciones tradicionalesrealizadas a nivel de los equipos eléctricos(protecciones, automatismos de desconexiónautomática, conmutación de fuentes yauxiliares de socorro), gestionando numerosasfunciones del campo control-mando eléctrico.

A título de ejemplo:

n reconexión automática y progresiva de lassalidas después de un defecto,

n ajuste del consumo a las posibilidades delsuministro de energía en ese momento(desconexión, reconexión, arranque o paradade los grupos),

n optimización de las fuentes en función delconsumo para obtener el mayor partido delcontrato del suministro de energía con tarifasdiferenciadas,

n optimización del funcionamiento de lasbaterías de condensadores,

n participación en la selectividad(coordinación de las protecciones).

Permite igualmente:

n el control-mando local y a distancia(señalización, alarmas, mando y modificaciónde las regulaciones...),

n la supervisión (representación gráfica delestado de la red, memoria de los sucesos ygobierno de la instalación).

La GTE es tanto más necesaria cuanto másimportante es la necesidad de disponibilidad,y, en general, de seguridad.

La GTE se ha desarrollado con lageneralización del empleo de losmicroprocesadores, que a la vez permiten laapertura hacia una «inteligencia» mayor ymejor repartida.

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Cuando se produce un fallo, la GTE se apoyaen dos principios:

n la distribución eléctrica puede seguir enmarcha. Pero ésta no queda comprometidapor el fallo de un módulo de gestión, sino quequeda encauzada, entre otras causas, por elempleo de aparatos biestables para el mandode potencia, tales como interruptores,telerruptores e interruptores automáticos.

n los sistemas de protección mando y controlsiguen independientemente activos. De estaforma es posible continuar una operación enmarcha degradada. Este principio deja a salvoel objetivo primero de la seguridad aún cuandociertas funciones de confort se pierdanmomentáneamente. Asimismo, aunque lasupervisión falle, una función de protecciónpuede continuar cumpliendo su misión y lacentral del cuadro puede seguir operativa.

Además, el funcionamiento de la GTE refuerzala garantía de buen funcionamiento de la redBT en cuanto a:

n Fiabilidad:

o la GTE reduce las intervenciones humanasque representan el mayor riesgo de fallos,

o suprime los riesgos de errores de gestiónde la red al proporcionar una informacióncompleta.

n Facilidad de mantenimiento:

Como complemento de la fiabilidad, obtenidagracias a un diseño riguroso, los productosdeben mantenerse «seguros» por el dominiodel mantenimiento.

Éste se descompone en dos partes:

o el mantenimiento preventivo está destinadoa prevenir los problemas y con ello limitar losriesgos de una parada por un fallo (prevenciónde los defectos),

o el mantenimiento operativo, destinado aponer de nuevo rápidamente «en servicio» elsistema (localización de los defectos).

El mantenimiento preventivo es anterior almantenimiento operativo, pues evita losproblemas durante la explotación. Sólo esposible con la condición de conocer bien lavida de los productos y de ser capaz dedetectar posibles fallos. Así, las experiencias ylos ensayos de los materiales son primordialespara conocer las circunstancias que predicenun fallo. La GTE permite explotar mejor estosconocimientos:

o se lleva a cabo un sistema demantenimiento preventivo para limitar lasintervenciones por fallos, lo que se consigue:

– contando el número de maniobras,

– midiendo la resistencia de aislamiento...

o un sistema de mantenimiento operativorealizado a partir de un dispositivo delocalización de fallos,

o dos sistemas, el telemantenimiento y eltelediagnóstico, mejoran considerablemente laexplotación del cuadro:

– el telemantenimiento permite conservar lavigilancia sin necesidad de tener en elemplazamiento una sala de control ypermanentemente en el lugar un equipo demantenimiento. El registro a distancia deinformaciones relativas a los fallos evita lasvisitas demasiado frecuentes a los diferentespuntos de suministro de electricidad,

– el telediagnóstico permite realizar undiagnóstico a distancia gracias a latransmisión por telecomunicación de losparámetros cuantificables, con lo que sereducen, evidentemente, los tiempos deintervención, sobre todo en el caso de quesean servicios exteriores los que cuiden de lagestión y del mantenimiento de la instalación.Así, el dominio del fallo se consigue desde laprimera intervención.

n En términos de disponibilidad

La disponibilidad es la consecuencia lógica dela fiabilidad y de la facilidad de mantenimiento,pero también:

o de la prevención de sobrecargas, con lasolución de desconexiones y reconexionespara evitar cortes,

o de la gestión de las fuentes (conmutación,conexión y arranque de grupos),

o la selectividad de las diferentes etapas deprotección que, como se ha explicado antes,tiene un papel importante en la disponibilidadde una instalación.

n En términos de seguridad

o la seguridad de las personas se garantizacon aparatos de protección de desconexiónautomática (situados lo más cerca posible deldefecto), que aún participando del sistema degestión, tienen un funcionamientoindependiente en presencia de un defecto,

o las intervenciones son menos numerosas, odistanciadas en el tiempo. Se hacen, pues, sincarácter de urgencia,

o se da al personal de explotación unaprotección adicional señalizando el estado delos aparatos, justo en las zonas deintervención, así como con los avisos de fallospotenciales.

4.2 La GTE aporta un «plus» a la seguridad

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Toda «inteligencia» de mando y control debede organizarse con las suficientesprecauciones para que dé un buen nivel deseguridad de funcionamiento. En particular,necesita la puesta en servicio:

o de una electrónica de calidad,

o de una red de comunicaciones por BUSfiable,

o de programas reconocidos como fiables,que controlen el conjunto.

n Electrónica de calidad

La electrónica utilizada actualmente es cadavez más fiable, gracias a sus múltiplesavances en los campos espacial, militar,nuclear y de consumo. El dominio de su nivelde fiabilidad está probado; las leyes de laestadística de fiabilidad asociada a loscomponentes se aplican perfectamente, y loscálculos de fiabilidad de los conjuntos demontajes están bien controlados.

El apoyo en los puntos críticos se hace por laredundancia de todos o parte de los móduloselectrónicos o por el empleo de componentesfiabilizados.

4.3 La tecnología

n Una red de comunicaciones por BUS fiable

Son los buses los que han permitido eldesarrollo de sistemas inteligentesdescentralizados, constituyendo la verdaderacolumna vertebral. Las conexiones «serie»que constituyen estos buses, permiten, enefecto, transferir los datos hacia múltiplespuntos a través de un solo cable (coaxial o depares retorcidos). Su fiabilidad haevolucionado recientemente con la posibilidad,hoy día, de aislarlos de las perturbaciones detipo electromagnético exteriores y por lautilización de protocolos que incluyen uncontrol del intercambio de datos. Este tema sedesarrolla en el Cuaderno Técnico n° 147«Iniciación a las redes de transmisión dedatos».

n La seguridad del sistema pasa también porla de los programas que controlan el conjunto.

En esto no hay revolución, sino una carrerasistemática de rigor en todos los niveles,desde su diseño hasta su puesta en servicio(métodos de especificación, de desarrollo,herramientas particulares, procesos muyexigentes de verificación y de ensayo).

El cuadro «inteligente» integra una parteimportante de la GTE (figura 18 ), enparticular:

o la aparamenta electrotécnica «inteligente»,

o sistemas específicos (ej. el control delaislamiento),

o la central de control del cuadro,

o los buses digitales.

Gracias al empleo de los micro-procesadoresla inteligencia está repartida hasta el nivel delos aparatos (interruptores automáticos,interruptores, ...). Éstos, además de sufunción básica, tratan distintas informacionesy dialogan con la central, lo que permite:

n la «secuencialidad» de las acciones(secuencia lógica y en el tiempo),

n capacidad de cálculo y de tratamiento denumerosos datos procedentes de estosaparatos, de captadores y de sistemasespecíficos,

n la teletransmisión por BUS «serie» quepermite el diálogo de control-mando con elusuario y/o el sistema de supervisión,

n el control y el mando, tanto local como adistancia, así como la supervisión (lasórdenes se transmiten por el BUS).

4.4 El cuadro «inteligente»

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Fig. 19: Esquema de conjunto de mando y control de una instalación eléctrica y sus conexiones (BUS).

Centro de transformación

Supervisión deórdenes yparámetrosde explotación

Cuadro demando y control

Funciones autónomas,medidas,y mando-controlde las salidas

Unidad deconfiguración

Controldel cuadro

Cuadro BT

G

VAR

VAR

Centro deseguimiento

El cuadro eléctrico se hace así «inteligente» ysegún el grado de complejidad de lainstalación a gobernar, la GTE se hará conuna mayor o menor integración de «lainteligencia»: una distribución de energíaeléctrica en una pequeña empresa deservicios puede no necesitar más que unavisualización de las medidas y de los estadosen el frontal del cuadro. En tanto que, en ungran inmueble, será necesario prevertelemandos (alumbrado, socorros...).

La GTE se usa hoy día en los servicios de MTy de BT con la ayuda de diversoscomponentes. Estos elementos, cada vez más

normalizados y conocidos por los instaladoreselectricistas, serán objeto de gamas deproductos cada vez más extensas.

Diseñados para funcionar conjuntamente, losdiferentes componentes del cuadro inteligentepermiten, por su coherencia tanto a nivel«hard» como a nivel «soft», una mayorfacilidad en su puesta en servicio y utilización.

Un cuadro «inteligente» bien diseñado en suconjunto y constituido por elementoscoherentes, racionalizado y de serie permiteobtener una GTE eficaz y, por tanto, undominio real de la energía eléctrica con lamáxima seguridad.

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La distribución de la energía eléctrica deberesponder a exigencias crecientes de:

n garantía de funcionamiento,

n capacidad de evolución con la instalación,

n integración con la explotación.

Esto obliga a los proyectistas a preverinstalaciones «inteligentes», independientes,comunicables, modulares, fiables y demantenimiento fácil.

La respuesta a todos estos criterios es ladescentralización. Las funciones de base(protección y mando) se aseguran lo máscerca posible de la utilización. Sólo lasupervisión tiene una posición «central». Éstajuega un papel importante en el control de ladistribución en términos de la relación hombre/sistema.

La descentralización se encuentra en eldiseño de cada producto, en sus enlaces(definidos entre ellos) y en la estructura quelos agrupa.

Todos estos elementos (aparamenta de granpotencia, control-mando y las conexioneseléctricas) se hallan integrados en el cuadroBT; por esto su papel es vital en toda ladistribución; debe, en efecto, garantizar laseguridad de funcionamiento del conjunto,sabiendo que:

n el esquema de la acometida y la fiabilidadde los receptores finales son los puntos quepueden perjudicar más la seguridad defuncionamiento,

n el esquema de la puesta a tierra del neutroinfluye en la disponibilidad de los receptoresfinales: por tanto, debe de estar bien adaptadoa la explotación,

n las conexiones tienen una importanciapreponderante sobre la fiabilidad del cuadro:su estudio y su realización deben de ser muycuidadas,

n la tecnología del cuadro, forma, grado deprotección, conexión..., deben de adaptarse alentorno en el que está emplazado el equipo(nivel de polución de los locales, cualificaciónde los que intervienen, ...),

n se utiliza aparamenta seccionable cuandose desea un mayor margen de seguridad,

n la salida a motor en rack extraíble se utiliza,sobre todo, por la flexibilidad y el aumento dedisponibilidad que aporta,

n los elementos auxiliares, en los que lasconexiones y la puesta en servicio estánnormalizados, hacen más fiable el control-mando de una instalación.

La seguridad es la preocupación de todos, delproyectista (en su despacho de estudios), delinstalador (instalando conforme a lasrecomendaciones del constructor y las normasdel oficio), y de los servicios de mantenimiento(vigilancia y mantenimiento preventivo de lospuntos críticos).

Este Cuaderno Técnico muestra cómo atenderlos objetivos de seguridad y cómo responderal nivel de seguridad requerido por laselección de opciones, particularmente lastecnológicas.

El cuadro de BT «inteligente», unido a laGestión Técnica de la Electricidad, respondeespecialmente a los criterios de seguridad yde integración con la explotación. Es larespuesta a las previsiones actuales y a las defuturo. Según la complejidad de la instalación,la integración de la «inteligencia» es más omenos importante.

En caso de modificación de la distribución, lamodularidad del cuadro y el simple replanteodel sistema de control-mando contribuyenmucho a facilitar la evolución: los estudios yensayos no tienen porqué repetirse para cadaaplicación, puesto que ya se han hecho anteslas pruebas.

5 Conclusión

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Cuaderno Técnico Schneider n° 156 / p. 31

Anexo:Bibliografía

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n NF C 15-100 (1 991-05 + dos anexos),partes comunes con CEI 60 364-1 a 5 : Règlepour les installations électriques BT.

n NF C 20-010 (1 992-10); CEI 60 529 (1 989-11): Classification des degrés de protectionprocurés par les enveloppes.

n NF C 20-015 (1 995-06); EN 50 102 (1 995):Degrés de protection procurés par lesenveloppes de matériels électriques contre lesimpacts mécaniques externes.

n NF C 20-030 (1 996-08) + add. 1, noequivalente a CEI 60 536 (1 976-01):Protections contre les chocs électriques,règles de sécurité.

n NF C 20-040 (1 996-08) no equivalente aCEI 60 664-1 (1 992-10): Lignes de fuites etdistances d'isolement dans l'air.

n NF C 63-421 (1 994-10), EN 60 439-1(1994-01); CEI 60 439-1 (1 992-11):Ensembles d'appareillage à basse tension.

Cuadernos Técnicos Schneidern Introducción al diseño de la garantía defuncionamiento. Cuaderno Técnico nº 144.P. BONNEFOI

n Estudio térmico de los cuadros eléctricosBT. Cuaderno Técnico nº 145.Ch. KILINDJIAN

n Iniciación a las redes de comunicacióndigitales. Cuaderno Técnico nº 147.

E. KOENIG

n Distribución eléctrica de alta disponibilidad.Cuaderno Técnico nº 148.G. GATINE, A. LONCHAMPT

n Cálculo de corrientes de cortocircuito.Cuaderno Técnico nº 158.B. de METZ-NOBLAT, G. THOMASSET

n Conmutación automática de alimentacionesen redes AT. Cuaderno Técnico nº 161.G. THOMASSET

n Los esfuerzos electrodinámicos en losjuegos de barras BT. Cuaderno Técniconº 162.CH. KILINDJIAN, J.P. THIERRY

n Los esquemas de conexión a tierra en BT(regímenes de neutro). Cuaderno Técniconº 172.R. CALVAS, B. LACROIX

n Los esquemas de conexión a tierra en elmuno y su evolución . Cuaderno Técniconº 173.R. CALVAS

n Estudio de la garantía de funcionamiento enlas instalaciones eléctricas. Cuaderno Técniconº 184.S. LOGIACO

n Cuadro general BT inteligente. CuadernoTécnico nº 186.A. JAMMES

Publicaciones diversasn Les automates programmables sont-ils plusfiables que les relais?. Revue J3E - octobre1 990 .F. SAGOT

n An experience of a critical softwaredevelopment. IEEE Fault tolerant computingsymposium 20 -90/ 26-28 june. New Castle.C. SAYET, E. PILAUD (Merlin Gerin).

n Risque et sécurité dans le domaine dutransport. Revue Maintenance - novembre1 990. J-C. LIGERON

n Les Cahiers Gimelec:o Les tableaux électriques basse tension.o Les tableaux à gestion intégrée (TGI).