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Cuaderno Técnico nº 201

Selectividad con los interruptoresautomáticos de potencia BT

Jean-Pierre NEREAU

Cuaderno Técnico Schneider n° 201 / 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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La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 201 de Schneider Electric».

Cuaderno Técnico n o 201

Jean-Pierre NEREAUIngeniero IEG, entró en Merlin Gerin en 1981;su trabajo en el Bureau d’Etudes de la actividadde Aparamenta BT le llevó a desarrollarproductos, especialmente en la gama de losinterruptores automáticos de caja moldeada ydespués en la de interruptores de potencia.

Actualmente es el responsable del Bureaud’Etudes Avancé de Schneider Electric paraesta actividad.


Trad.: J.M. Giró

Original francés: junio 2000

Versión española: febrero 2001


Terminología

Calibre:Corriente (=In) correspondiente al ajustemáximo del relé.

Relé instantáneo:Relé que no tiene ningún dispositivo deretardo intencionado (protección contra loscortocircuitos).

Relé de largo retardo (LR):Relé que tiene un dispositivo de retardointencionado de varios segundos (proteccióncontra sobrecargas). Normalmente este retardodepende de la corriente.

Relé de corto retardo (CR):Relé que tiene un dispositivo de retardointencionado de algunas decenas a algunascentenas de milisegundos.

DIN:Relé instantáneo de autoprotección. Porsemejanza, el umbral correspondiente.

DINF:Relé instantáneo de autoprotección al cierre.Por semejanza, el umbral correspondiente.

Interruptor automático limitador:Interruptor automático que durante el corte deuna corriente de cortocircuito, limita la corrientea un valor sensiblemente inferior a la corrientepresunta.

Interruptor automático selectivo:

Interruptor automático con gran Icw (capaz desoportar la corriente de cortocircuito durantevarios centenares de milisegundos).

Filiación:Utilización de la limitación del interruptorautomático aguas arriba para aumentar elpoder de corte real del aparato aguas abajo.Permite utilizar aguas abajo de un interruptorlimitador interruptores automáticos con unpoder de corte inferior a la corriente decortocircuito presunta.

I cc:

Corriente de cortocircuito (dada en valor decresta) que atraviesa realmente el interruptorautomático teniendo en cuenta la limitación.

I cw:

Corriente de corta duración admisible. Es lacorriente máxima de cortocircuito (valor eficaz)que puede soportar el interruptor automáticodurante un tiempo definido (0,5 ó 1 ó 3 s) sinalteración de sus características.

In:

Corriente nominal del aparato.

Ip:Corriente de cortocircuito presunta que sedesarrollaría en ausencia de dispositivos deprotección (valor eficaz).

I r:

Corriente (en valor eficaz) que corresponde alajuste de la protección contra sobrecargas.Normalmente puede variar entre 0,4 a 1veces In.

tc:

Tiempo real de corte (extinción del arco).

IDMTL:(Inverse Definite Minimum Time Lag).Característica que se dice de las curvas dedisparo de largo retardo cuya pendiente puedetomar diversos valores (ver § Los relés decurva «IDMTL»).

Poder de corte (PdC):

Es el nombre usual del poder de corte último(Icu). Icu es la mayor intensidad de corriente decortocircuito que puede cortar el interruptorautomático. Se define para la tensión asignadade empleo dada Ue.

Selectividad parcial:La selectividad es parcial cuando quedaasegurada hasta el valor de corriente Ipinferior al poder de cortocircuito de lainstalación.

Selectividad total:La selectividad es total cuando quedaasegurada hasta el poder de cortocircuito dela instalación.

Sellim:Principio de selectividad que permite hacertrabajar conjuntamente la selectividad y lalimitación.

Resistencia electrodinámica (TED):Capacidad de un aparato para soportar porconstrucción los efectos electrodinámicos deuna corriente de cortocircuito, especialmentesin repulsión o conexión de los contactosprincipales.



El objetivo de este Cuaderno Técnico es presentar las técnicas de selectividadespecíficas de los interruptores automáticos de potencia BT.

Estos aparatos se caracterizan por su gran calibre (800 A a 6 300 A) y susituación en cabeza de la instalación BT, instalados generalmente acontinuación de un transformador MT/BT.

Esta situación justifica las exigencias de selectividad que se le aplican.Después de repasar las técnicas de selectividad se citará la estrecha relaciónque existe entre la selectividad y las características generales de losinterruptores automáticos y por último se darán algunos ejemplos prácticossobre la elección de los aparatos a instalar.

1 La selectividad en BT 1.1 Introducción p. 6

1.2 La selectividad en función de los tipos de defecto p. 6

2 Las técnicas de selectividad 2.1 Selectividad amperimétrica p. 8con cortocircuitos 2.2 Selectividad cronométrica p. 9

2.3 Selectividad pseudo-cronométrica p. 9

2.4 Selectividad «SELLIM» y selectividad energética p. 10

2.5 Selectividad lógica p. 10

2.6 Utilización de los diferentes tipos de selectividad p. 11

3 Selectividad con los interruptores 3.1 Características de un interruptor automático p. 12

automáticos de potencia 3.2 Características del relé de disparo p. 15

3.3 Selectividad al cierre p. 20

4 Caso de aplicación: ejemplos de 4.1 Presentación de la instalación estudiada p. 21elección de interruptores 4.2 Dimensionamiento de los aparatos de protección p. 22automáticos en una instalación BT

4.3 Elección de los aparatos para asegurar la selectividad p. 22

4.4 Variante con selectividad lógica p. 25

4.5 Variante con dos entradas más potentes p. 27

Bibliografía p. 29


1 La selectividad en BT

1.1 Introducción

En una distribución radial (figura 1 ) el objetivode la selectividad es desconectar de la red elreceptor o la derivación de salida defectuosa ysólo ésta, manteniendo en servicio la mayorparte posible de la instalación.

Permite también aunar seguridad y continuidaddel servicio facilitando la localización de losdefectos. Es un concepto especialmenteimportante para los aparatos de gran potenciay, puesto que están instalados en cabeza de lainstalación, su disparo injustificado tieneconsecuencias muy graves.

La selectividad es total si queda garantizadapara cualquier valor de corriente de defectohasta el valor máximo disponible en lainstalación.

En caso contrario se llama «selectividadparcial».

Los defectos que se producen en unainstalación son de diversos tipos:

n sobrecarga,

n cortocircuito,

pero también:

n derivaciones de corriente a tierra,

n bajadas de tensión o incluso cortesmomentáneos de la alimentación.

1.2 La selectividad en función de los tipos de defecto

Las técnicas de instalación de la selectividadse han de adaptar a los diversos fenómenosque se producen, según el tipo de defecto.

SobrecargasEstas sobrecorrientes están comprendidasentre 1 y 10 veces la intensidad de servicio.Su eliminación debe hacerse en un tiempocompatible con la resistencia térmica de losconductores afectados. El tiempo de disparoes generalmente inversamente proporcional alcuadrado de la corriente (disparo llamado «atiempo inverso»).

La selectividad de los interruptoresautomáticos se aplica comparando las curvastiempo/intensidad de los disparos de largoretardo afectados por el defecto (figura 2 ).

D1

D2D3

Fig. 1: Selectividad.

A cada tipo de defecto le corresponde un tipode dispositivo de protección específico(protección contra las corrientes de sobrecarga,de cortocircuito, de defecto a tierra o contra loscortes de alimentación...).

Cada uno de estos defectos puede provocaruna pérdida de selectividad si no se tienepresente la coordinación de los dispositivos deprotección.

Esta selectividad queda asegurada si, paracualquier valor de la corriente de sobrecarga,el tiempo de no disparo del interruptor aguasarriba, D1, es superior al tiempo máximo decorte del interruptor automático D2 (incluido eltiempo de extinción del arco). Esta condiciónse cumple en la práctica si la razón I r1/I r2 esmayor que 1,6.

CortocircuitosDebido a la amplitud de las corrientes decortocircuito y sobre todo a la presencia de losarcos eléctricos que normalmente leacompañan, los circuitos afectados deben dequedar interrumpidos casi instantáneamente,en menos de algunas centenas demilisegundos.


La selectividad puede tratarse, en parte,comparando las curvas tiempo/corriente entanto que el tiempo tc sea mayor que algunasdecenas de milisegundo.

Pero, por una parte, estas curvas son uninstrumento insuficientemente preciso paratrabajar con exactitud.

Por otra, los tiempos y corrientes no son elúnico criterio de discriminación. Según loscasos, hay que tener presente la corriente decresta, de la limitación, o de la combinación

de tiempo y de corriente (por ejemplo, 2i dt).

Por tanto, es necesario referirse a las tablasde selectividad publicadas por los fabricantesde los interruptores automáticos instalados.

Las técnicas que permiten obtener laselectividad frente al cortocircuito entre dosinterruptores automáticos son variadas y sepresentan en el capítulo siguiente.

Corrientes de fuga a tierraAquí también hay que tener presente laselectividad para evitar que un defecto deaislamiento en un punto cualquiera de lainstalación produzca un disparo intempestivoen los aparatos de cabeza.

Existen dos grandes familias de proteccióncontra corrientes de fuga. Para los valores decorriente bajos o muy bajos (típicamente30 mA a 30 A), se utiliza un captador queabarca todos los conductores activos. Estecaptador realiza de forma natural la suma

vectorial de corriente y entrega una señalproporcional a la corriente de defecto. Enefecto, cuando hay una corriente de defecto atierra (o a masa) conduce la suma deI1 + I2 + I3 + In que será diferente de cero.Este sistema se denomina generalmente«protección diferencial» o «vigi». Para valoresde corriente de fuga mayores, superiores al20% de la corriente nominal, se utiliza uncaptador para cada conductor activo. Elsistema, que se denomina simplemente«protección de tierra» (en inglés: «groundfault») efectúa la suma de las señalesentregadas por cada uno de los captadores.

En los dos casos, la selectividad se tratadiferenciando los umbrales y lastemporizaciones. Se puede controlar por lascurvas tiempo/corriente (figura 3 ).

Bajadas y cortes de tensiónPueden estar producidos por un cortocircuitoen la instalación o por un defecto aguas arribade ésta y provocar el disparo de los aparatosen cabeza si están dotados de relés de faltade red o de tensión mínima.

La solución consiste en utilizar relés de faltade tensión o de tensión mínima temporizados,cuyo tiempo de actuación deberá ser superioral tiempo de disparo por cortocircuito de losaparatos situados aguas abajo.

Aunque no sean temporizados, los relés defalta de tensión o de tensión mínima debenestar inmunizados frente a cortes de tensiónde una decena de milisegundoaproximadamente para no verse afectadoscuando los cortocircuitos son eliminados porlos aparatos situados junto a los receptores.

Fig. 2: Selectividad en la zona de sobrecargas.

Zona selectividadde las sobrecargas

tc

D2 D1

r2 r1 ins2

p

Sobrecargas Cortocircuitos

Fig. 3.

tc

D2 D1

t1

t2

s2 s2

p


2 Las técnicas de selectividad con cortocircuitos

Mejorar la selectividad consiste normalmenteen «frenar» el disparo de un determinadointerruptor automático respecto al de losinterruptores automáticos situados aguasabajo en la instalación.

Este objetivo se consigue:

n o ajustando de forma diferente los umbralesde disparo (es la selectividad amperimétrica ),

n o retardando algunas decenas o centenasde milisegundos el disparo del interruptoraguas arriba (es lo que se llama selectividadcronométrica ),

2.1 Selectividad amperimétrica

Se obtiene ajustando los umbrales de disparode los relés instantáneos o de corto retardo delos interruptores automáticos en serie dentrodel circuito.

Se utiliza normalmente en el caso de defectosde cortocircuito y lleva generalmente, si no vaasociada a otra selectividad (cronométrica,Sellim o energética), a una selectividad parciallimitada al umbral de actuación del aparatoaguas arriba (figura 4 ).

La selectividad queda asegurada si el umbralmáximo del relé del aparato aguas abajo esinferior al umbral mínimo del aparato aguasarriba, incluidas todas las tolerancias.

Fig. 4: Selectividad amperimétrica.

Límite de selectividada los cortocircuitos

tc

Zona de selectividada los cortocircuitos

D2 D1

ins1 pins2

n o utilizando criterios de discriminación máselaborados, por ejemplo la detección de unnúmero de ondas de corriente, o la forma de

estas ondas ( 2idt, i dt , etc.), (es lo que se

llama selectividad «Sellim» y selectividad«energética» ),

n informando un interruptor automático alotro, de que ha sobrepasado su umbral (es loque se llama selectividad lógica ).


2.2 Selectividad cronométrica

Para asegurar la selectividad más allá delmargen de corto retardo (ICR1) del aparatoaguas arriba, es posible utilizar unatemporización, ajustable o no, del relé delaparato aguas arriba, D1 (figura 5 ).

Esta solución no puede adaptarse si no es conla condición de que el aparato pueda soportarla corriente de cortocircuito durante el tiempode la temporización. Por tanto, solamentepuede utilizarse con los aparatos de granresistencia electrodinámica, llamados también«selectivos».

Con dos interruptores automáticos en serie,las dos posiciones de temporización, cuandoexisten, se ajustan de tal manera que seanselectivas entre ellas. El tiempo máximo deactuación en una posición de ajustedeterminada, incluido el tiempo de corte, debede ser menor que el tiempo mínimo dedetección de la siguiente posición de ajuste.

2.3 Selectividad pseudocronométrica

Cuando se utiliza aguas abajo un interruptorautomático limitador, la corriente decortocircuito real queda muy reducida enamplitud y en duración, tanto más cuantomayor sea la corriente presunta. El relé delaparato situado aguas arriba ve por tanto unacorriente mucho menor que si no existieraeste tipo de interruptor aguas abajo.

Esto puede traducirse en la curva de disparotiempo/corriente del aparato aguas abajo enun tiempo «equivalente» que disminuyesensiblemente cuando la corriente decortocircuito prevista aumenta.

La comparación con la curva de detección delaparato pone en evidencia la selectividad delos dos aparatos. Se califica de pseudo-cronométrica porque no utiliza un retardointencionado (figura 6 ).

Esta solución, por su efecto de limitación y larápida eliminación del defecto, permiteademás limitar los esfuerzos térmicos yelectrodinámicos en la instalación.

Fig. 5: Selectividad cronométrica.

Fig. 6: Selectividad pseudocronométrica.

D2

D1: selectivo a saltosde corto-retardo 1-2-3

tc

D1

CR1

p

1

32

Umbral corto-retardo de D2

p

D2

tcD1

D2 : limitador

Nota: la utilización en D1 deun relé de corto-retardodependiente (línea de puntos)favorece la selectividad


2.4 Selectividad «SELLIM» y selectividad energética

Estos principios, desarrollados por SchneiderElectric, son especialmente útiles paraaparatos de media potencia (100 a 630 A)donde la limitación es una necesidad. Enefecto, estos aparatos, con una repulsiónelectrodinámica muy activa, no puedensoportar una temporización de varias centenasde milisegundo. La selectividad cronométricacon el interruptor automático aguas abajo nopuede por tanto utilizarse, o queda limitada aun valor de corriente muy bajo.

La solución consiste en utilizar criterios dedisparo más elaborados que el simple valor dela corriente y el tiempo, en general unacombinación de estas dos magnitudes, por

ejemplo: 2i dt.

2.5 Selectividad lógica

Este sistema requiere la transferencia deinformación entre los relés de los interruptoresautomáticos de los diferentes escalones de ladistribución.

Su principio es sencillo (figura 7 ):

n un relé que ve una corriente mayor que suumbral de funcionamiento envía una ordenlógica de temporización al relé del interruptorautomático inmediatamente superior a él. Latemporización será la fijada en el relé,

n el relé del interruptor automático situadoinmediatamente aguas arriba del cortocircuito,puesto que no recibe orden de espera, actúainmediatamente, sea cual sea sutemporización.

La selectividad lógica es un aditivo a laselectividad cronométrica. Permite reducir lostiempos de eliminación de los defectos, lo quereduce considerablemente las sobrecargassobre la instalación. Se aplica a losinterruptores automáticos BT selectivos de

Fig. 7: Selectividad lógica.

El tipo de criterio, así como el valor de ajuste,se adaptan con mucha exactitud a lacombinación aguas arriba/aguas abajo de losaparatos considerados.

Permiten garantizar la selectividad en variosescalones, limitando considerablemente losesfuerzos térmicos y electrodinámicos en lainstalación.

Esta selectividad se instala con interruptoresautomáticos Compact NS de la marca MerlinGerin.

Para más explicaciones, el lector interesadopuede consultar el Cuaderno Técnico nº 167:«La selectividad energética en BT».

Relé

Orden deesperalógica

D1

D2

Relé

gran intensidad, pero también se estáutilizando en las redes AT industriales.Necesita relés que sean compatibles entre sí.

Para más detalle, ver el Cuaderno Técnicotitulado «Protección de redes mediante elsistema de la selectividad lógica».


2.6 Utilización de los diferentes tipos de selectividad

La elección de un tipo de selectividad en unadistribución eléctrica se hace en función deltipo de aparato y de su situación en lainstalación. Para obtener la mejordisponibilidad de la energía eléctrica, pueden

Fig. 8: Ejemplo de utilización de diferentes tipos de selectividad.

Circuito Tipo de selectividad Tipo deAmperimétrico Cronométrico Cronométrico Pseudo- Sellim y interruptor

+ lógico cronométrico energético automático

Origen de Selectivola instalación

Distribución de Limitadorpotencia

Distribución Limitadorterminal

combinarse diferentes técnicas entre cada dosaparatos; ver, a título de ejemplo, la figura 8 .

La selectividad amperimétrica es, en todos loscasos, el primer objetivo a conseguir.


3 Selectividad con los interruptores automáticos de potencia

Los interruptores automáticos de potencia BT,por su posición en cabeza de la instalación,están especialmente diseñados para conseguirlos objetivos de selectividad.

Su robustez natural lleva a utilizarprincipalmente, en caso de cortocircuito, laselectividad cronométrica. Esto no excluye lautilización, como complemento, de laselectividad «pseudo-cronométrica»(interruptor automático limitador aguas abajode un interruptor automático selectivo) y de laselectividad lógica (cableado lógico entre losdiferentes niveles de la distribución).

En este capítulo se analizarán lascaracterísticas que tienen influencia en estaselectividad, considerando en primer lugar lasdel interruptor automático en sí mismo y acontinuación las del relé que se le asocia.

El caso particular de la selectividad cuando secierra un interruptor automático se tratarádespués, con las características que lodeterminan.

3.1 Características de un interruptor automático

Corriente de corta duración admisible ( I cw)n DescripciónLa corriente de corta duración admisible (Icw)caracteriza la capacidad de los aparatos desoportar las corrientes de cortocircuito,eventualmente elevadas, durante una duraciónsuficiente para eliminarlas mediante losinterruptores automáticos o dispositivos deprotección situados aguas abajo. Esto es portanto una característica esencial del interruptorautomático de potencia que se encuentranormalmente en cabeza de la instalación.

Cuanto mayor sea la Icw, mayor será el límitede utilización de la selectividad cronométrica.Y esto porque los aparatos con Icw elevada secalifican normalmente como de «selectivos».

Hay que tener en cuenta que es necesario quetanto el cuadro en el que está instalado elaparato como todos los conductores situadosaguas arriba, sean capaces de soportar estascorrientes.

Las corrientes de cortocircuito producen 2tipos de fenómenos:

o los esfuerzos electrodinámicos entre lasdiferentes partes del circuito recorrido por unacorriente.

Estos esfuerzos son de repulsión o atracciónsegún los sentidos respectivos de lascorrientes; se manifiestan instantáneamente yla resistencia del aparato a estos esfuerzos,llamada «resistencia electrodinámica» (TDE)estará caracterizada por el valor máximo

instantáneo de la corriente que puedesoportar, medido en kA «de cresta».

Más allá de este valor se producendeformaciones irreversibles en las piezas oarcos eléctricos que pueden perjudicar laspiezas afectadas.

o un calentamiento de las piezas recorridaspor la corriente.

Este calentamiento no es función del valorinstantáneo de la corriente, sino de su valoreficaz y de su duración; la resistencia delaparato a estos fenómenos puede por tantoexpresarse en kAef y en segundos.

La «corriente de corta duración admisible»está definida en varias normas y entre ellas laCEI 60947-2 que le asigna el símbolo «Icw».

El ensayo asociado permite probar elcomportamiento del aparato a la vez bajo elaspecto electrodinámico, cuando se produceun cortocircuito, y bajo el aspecto térmico,manteniendo la corriente durante un tiempodeterminado (normalmente de 0,5 s, 1 só 3 s). La corriente máxima de cresta la definela norma en función de la corriente eficaz; elconocimiento de esta última es suficiente paradefinir la Icw. Es evidente que el valor de Icwqueda limitado por los más severosfenómenos, sea electrodinámicos o térmicos yque su valor disminuye por tanto normalmentecuando aumenta su duración: una Icw durante3 segundos es térmicamente 9 veces peor queuna Icw durante 1 segundo. Por tanto, es laresistencia térmica la que determina


habitualmente la Icw de 0,5 s, quedando losefectos térmicos controlados.

El valor de Icw a tener en cuenta para laselectividad es el que corresponde al tiempomáximo de ajuste del relé de corto retardo,normalmente de 0,5 s. En general, este valorestá determinado directamente por laresistencia electrodinámica, por tanto, losefectos térmicos quedan fácilmentecontrolados. Los valores de 1 s y hasta 3 s noson más que indicación de una robustezadicional.

n Disposiciones constructivasPara conseguir una buena Icw, hace falta:

o una construcción robusta y rígida delaparato que asegure un mantenimiento eficazde las piezas que transportan la corriente. Lautilización de cajas moldeadas en poliéstertermoendurecido permite actualmente unanotable mejora de la rigidez estructural de losinterruptores automáticos respecto a lastécnicas anteriores de construcción a base depiezas metálicas cortadas, dobladas yencajadas,

o una gran rigidez del mecanismo paramantener la posición cerrada de los contactos,

o una disposición especial de los contactosmóviles y de las pinzas de conexión queaseguren una compensación automática delos esfuerzos de repulsión producidos entrelos puntos de los contactos (figura 9 ):

– las pinzas están constituidas por dedossituados a cada lado de los conductores aunir; por estos dedos circulan corrientesparalelas que crean un esfuerzo de atracción,Fm, que compensa los esfuerzos de repulsión,Fr, producidos en los contactos (figura 9a );

– los contactos móviles tienen un eje dearticulación situado aproximadamente a untercio de la distancia que separa losconductores de conexión. Así, la resultante delos esfuerzos de repulsión, Fm, producidos porel bucle de corriente crea en los contactos unpar que compensa el generado por larepulsión, Fr, en los puntos de contacto(figura 9b ).

Sin embargo, la compensación de esfuerzostiene el efecto de aumentar las fuerzastransmitidas al mecanismo, lo que constituyeuna exigencia restrictiva para el fabricante,

o un dimensionamiento generoso de lasección del circuito de potencia para evitaralcanzar una temperatura excesiva cuando latemporización del relé se ajusta a su valor,

o la utilización de sustancias moldeadastermoendurecibles (sin punto de fusión), o de

Fig. 9: Disposiciones constructivas que aseguran lacompensación de los esfuerzos de repulsión en uninterruptor automático.

b

aFr Fr

Fr Fr

Fm

(i/2)

(i/2)

i

i

i

1/3

2/3

Fr

Fm

i

A

técnicas termoplásticas de alto punto defusión en las zonas próximas al circuito depotencia.

Poder de corte (PdC)n DescripciónPara poder utilizar un interruptor automáticoen un circuito dado, su poder de corte último(Icu) debe de ser superior al poder decortocircuito previsto de este circuito en elpunto considerado.

Normalmente, en los interruptores automáticosde potencia BT, este poder de corte es igual aIcw en 0,5 segundos. En este caso, laselectividad cronométrica puede ajustarsehasta el poder de corte, puesto que el aparatoes capaz de soportar estas corrientes duranteel tiempo correspondiente. Por tanto, se tieneuna selectividad total.

Sin embargo, los valores de Icw alcanzados,incluso con los mejores modelos, resultanactual y normalmente limitados a un valoraproximado de 85 kAef, limitando por tanto lospoderes de corte. Ahora bien, cada vez sonmás las instalaciones que pueden producircorrientes de cortocircuito superiores a estevalor, alcanzando ciertos casos 150 kA oincluso más. Se da este caso en instalacionesque tienen varios transformadores de granpotencia en paralelo o redes en forma debucle con múltiples generadores.

La respuesta a esta necesidad suele ser lautilización de interruptores automáticos con unpoder de corte superior a I cw .


n Exigencias constructivas de los aparatoscon un poder de corte superior a su I cw:Los interruptores automáticos cuyo poder decorte es superior a Icw/05 s necesitan, para suautoprotección, un disparo instantáneo (DIN)desde que la corriente supera su resistenciaelectrodinámica, porque no podrían resistirdurante varios centenares de milisegundos losarcos de esta intensidad producidos durante larepulsión de los contactos.

Sin embargo, esta condición no es suficientepor sí misma y el control del poder de corte deestos aparatos requiere la colaboración de losespecialistas en la interrupción de los arcoseléctricos.

En concreto, en estos aparatos, puesto que noson limitadores, la corriente puede alcanzar,durante el corte de fuertes corrientes decortocircuito, un régimen asimétrico de unas2,3 veces el valor eficaz de la corrientepresunta, o sea, 230 kA de cresta en el caso deun cortocircuito presunto de 100 kAef (figura10). Por tanto, aparecen importantes esfuerzoselectrodinámicos en el seno del aparato y susconsecuencias aumentan sobremanera alproducirse el corte efectivo precisamente en elmomento en que estos esfuerzos son máximos.

Estas consideraciones limitan el poder decorte máximo que se puede alcanzar conaparatos de gran Icw, y sólo una construcciónextremadamente resistente unida a unperfecto control de los fenómenos asociadosal corte de corrientes de gran valor permiteobtener valores superiores a 100 kAef.

Los aparatos Masterpact NW del tipo H3, de lamarca Merlin Gerin, que ofrecen un poder decorte de 150 kA con 440 V para un Icw de65 kA/3 s son un ejemplo significativo de estesaber-hacer.

Hay que tener presente en este caso que laresistencia del cuadro y de la instalaciónrequieren también una construcción muyrobusta de los juegos de barras y de sussoportes. La utilización de cuadros BTmontados y probados en fábrica según lanorma CEI 439, garantiza la fiabilidad de estaconstrucción (Cuaderno Técnico nº 162).

n Aparatos limitadoresCuando el poder de corte máximo anunciadopor el fabricante, con aparatos de gran Icw, esinsuficiente, no queda otra solución que utilizarinterruptores automáticos limitadores , quetienen habitualmente un poder de corte quellega hasta los 150 kA a 400 V.

Por su propio principio de funcionamiento,estos aparatos limitan el valor máximoalcanzado por la corriente, y aseguran un granpoder de corte, reduciendo al mismo tiempo

Fig. 10: Cronograma de corriente en el caso de unaconexión asimétrica o simétrica.

sim

asim

ef

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

0 10 20 30 40 50

a: corte asimétrico

sim

ef

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 5010 20 30 40

b: corte simétrico

los efectos del cortocircuito tanto en lainstalación como en el propio aparato.

Los interruptores automáticos limitadores degran calibre tienen sin embargo un handicap,respecto a la selectividad con los aparatossituados aguas abajo, porque su TED essiempre relativamente baja. En efecto, lalimitación se obtiene habitualmente utilizandoel efecto de repulsión electrodinámica de loscontactos, que está directamente opuesto conla TED. El umbral de disparo del reléinstantáneo de autoprotección (DIN) debeentonces situarse muy bajo, lo que limita laselectividad aguas abajo a valores muy bajos,salvo que se utilicen criterios de disparomuy elaborados (Cuaderno Técnico nº 167:«La selectividad energética en BT»).

Más aún, un diseño hábil de los interruptoresautomáticos limitadores de potencia puede


permitir anunciar un gran poder de corte y unagran limitación garantizando también unabuena TED.

Este es el caso notable de los aparatosMasterpact NW limitadores, de la marca MerlinGerin cuyo TED alcanza los 37 kAef!Sin embargo, esta TED no será nunca tangrande como con un aparato no limitador.

Se constata de esta manera el poder de cortemáximo de los aparatos con gran Icw, que evitael recurso a aparatos limitadores en cabeza dela instalación, es un elemento fundamental dela selectividad.

Limitació n

El poder instantáneo de una corriente alternasenoidal en régimen permanente, oscila entre

2 y 2 veces su valor eficaz.

Durante la actuación, este valor instantáneopuede alcanzar, en una primera onda,alrededor de 2,3 veces el valor eficaz debido ala asimetría de la corriente. El valor realdepende de la inductancia del circuito; en lapráctica, depende también del nivel decortocircuito considerado y aumenta con éste.

Si el interruptor automático en cabeza de lainstalación está dotado de un relé instantáneode autoprotección (DIN), porque su poder de

Fig. 11: Coeficientes de asimetría en función de lacorriente eficaz presunta según la norma CEI 60947-1.

Fig. 12: Obtención de una selectividad parcial o totalentre dos aparatos, en función del poder delimitación del aparato aguas abajo.

1,7

2,042,16

2,29

0

0,5

1

1,5

2

2,5

6 a 10 10 a 20 20 a 50 > 50

cc presunta en kA

corte es superior a su Icw, la selectividad conel aparato aguas abajo queda limitada por lapresencia de este relé instantáneo.

Conociendo el valor de su ajuste (en kA decresta) es suficiente dividir este valor por elcoeficiente de asimetría (figura 11 ) paraconocer el límite de selectividad (en kAef).

Sin embargo, si el aparato situado aguasabajo del interruptor automático consideradoes limitador y si el cortocircuito tiene lugaraguas abajo de este aparato limitador, el valorinstantáneo máximo mencionado antes no sealcanza. En este caso, el límite de selectividadconseguido aumenta, tanto más cuanto mayorsea el poder de limitación del interruptorsituado aguas abajo (selectividad pseudo-cronométrica).

Por el contrario, si la corriente máximalimitada por el interruptor automático aguasabajo es inferior al margen instantáneo delaparato aguas arriba, la selectividad entre los2 aparatos es total (figura 12 ).

3.2 Características del relé de disparo

Funciones del relé

El potencial de selectividad de un aparato nopuede utilizarse plenamente más que utilizandorelés adecuados.

n Tipos de relés

Hoy en día, para aparatos de gran calibre, losrelés son siempre electrónicos.

Existen varios tipos según sus posibilidadesde ajuste:

cc presunta

Corrientelimitada

Umbral aparato aguas arriba

Selectividad con aparato no limitador

Selectividad conaparato limitador

Selectividad TOTAL con aparato muy limitador


Fig. 13: Curva de desconexión de un interruptorautomático indicando los parámetros de ajuste.

Umbrallargo

retardo

Umbralcorto

retardo

UmbralDIN

0,5 s

20 ms

Largo retardo

Corto retardo

Instantáneo

Umbralinstantáneo

t

o Los relés simples , tienen normalmente unacurva a tiempo inverso de margen ajustablepara las protecciones contra sobrecargas y unmargen de disparo instantáneo (< 10 ms),también ajustable, para la protección contracortocircuitos.

Este margen instantáneo tiene normalmenteun valor máximo de 10 a 12 In.

Es este el valor máximo, que limita laselectividad real, que puede conseguirse coneste relé.

o Relés llamados «selectivos» , tienen otroumbral de disparo temporizado, regulable envalor y en temporización (de 0 a 500 ms) y unrelé instantáneo ajustable hasta el valormáximo admisible para el aparato (figura 13 ).

Si la Icw del interruptor automático es igual asu poder de corte, este valor puede resultar«infinito» u «off» (es decir, que nunca habráun disparo instantáneo - ver § Poder de corte).La selectividad es entonces total , con lacondición de que el relé instantáneo estéefectivamente ajustado a esta posición «off».En caso contrario, la selectividad real quedalimitada por los valores ajustados como antesse ha dicho.

Si la Icw es inferior al poder de corte, esteumbral instantáneo puede sin embargo sermuy elevado (mucho más que 12 In) si la TEDes elevada (ver § Poder de corte). Laselectividad es entonces parcial , hasta quela corriente eficaz corresponde a este margeninstantáneo, o puede llegar a ser total , si eldispositivo de protección aguas abajo essuficientemente limitador para que este valorno se alcance nunca (ver § Limitación).

Por debajo de este valor, se utilizará laselectividad cronométrica: el aparato del 3er

escalón se temporizará, por ejemplo, a100 ms; el del 2º nivel a 200 ms, y el del1er nivel a 300 ms.

o Los relés con «selectividad lógica» . Uncable de conexión conecta los relés de losinterruptores automáticos de un mismocircuito. Si un relé detecta un cortocircuitoenvía al relé aguas arriba una orden detemporización. Él mismo dispararáinstantáneamente en cuanto se rebase suumbral de corto retardo (sea el que sea elajuste de la temporización) si no ha recibidouna orden de esperar proveniente de un reléaguas abajo.

Esta función no modifica las reglas de laselectividad, pero reduce los efectos en lainstalación porque el interruptor automáticoinmediatamente superior al defecto dispararásiempre instantáneamente.

Precisión del relé de autoprotecciónn Descripción

Como hemos visto anteriormente (al final del§ Limitación), un interruptor automático cuyopoder de corte es superior a Icw necesita parasu propia protección un relé instantáneo (DIN).

El umbral DIN debe seleccionarse de maneraque en las peores condiciones de toleranciaposible, resulte inferior a la resistencia últimadel interruptor automático. En concreto, hayque prestar una atención especial a latolerancia de la cadena de medida de corriente.

Si esta tolerancia es ancha, el umbral nominaldeberá reducirse en la misma proporción. Porel contrario, si este sistema de medida es muyexacto, el umbral nominal podrá situarsemucho más cerca del valor límite de laresistencia del aparato (figura 14 ).

Fig. 14: Influencia de la precisión de la línea demedida de corriente en un interruptor automáticoselectivo.

Variación de la TED

DIN imprecisoDIN preciso

Zone de selectividad Zona de selectividadCor

rient

e pr

esun

ta

Variación de la TED


n Precisión de la línea de medidaLa precisión del sistema de medida dependede la precisión de los captadores. Con losinterruptores automáticos, se utilizan dosgrandes familias de captadores:

o los transformadores de corriente concircuito magnético (figura 15 ).

Esta tecnología, la más antigua, ofrece unaprecisión satisfactoria en el caso de aparatosque tienen un valor bajo de TED. Estostransformadores tienen un arrollamientosecundario de n espiras alrededor de un núcleode material magnético , estando el primarioformado por el paso a través del circuitomagnético de un conductor principal.

Este transformador proporciona al secundariouna corriente (Is) igual a la corriente primaria(Ip) dividida por el número de espiras (n) delsecundario.

La precisión es buena si el circuito magnéticono llega a saturarse, o sea hasta unas 5 a 10veces la corriente nominal. Por encima deeste valor, la corriente secundaria essensiblemente menor que Ip/n (figura 16 ).

Además, al cerrase un interruptor automáticosobre un cortocircuito, la respuesta delcaptador a la primera onda de corriente estáestrechamente ligada al estado magnético(magnetismo remanente) en el que le hadejado la corriente anterior. Si al cerrar, lacorriente primaria es del mismo sentido que laanterior, la corriente secundaria Is quedarámuy atenuada en la primera onda; pero si esde sentido inverso, Is quedará aumentada.

En consecuencia, la línea o cadena de medidapuede quedar afectada por un errorsignificativo, y por tanto, el constructor debede ajustar el umbral DIN a un valorsensiblemente menor que el de TED. Además,si el umbral real está afectado por variacionesque le aproximan al valor mínimo, se produciráun disparo instantáneo (y por tanto unapérdida de selectividad) para un valor decortocircuito sensiblemente inferior alestrictamente necesario.

Variante: Hay que destacar que unaconstrucción especial puede neutralizarcompletamente la imprecisión del captador decorriente. Por ejemplo, para dar la orden deapertura del interruptor automático se puedeutilizar, en cada polo, un captadoroptoelectrónico de luz que detecta laaparición entre los contactos del arco que seproduce al rebasarse la resistenciaelectrodinámica.

En este caso, la selectividad no quedaafectada por la tolerancia del captador decorriente, salvo únicamente la de su propiaresistencia electrodinámica.

En la práctica, estos dispositivos complejossolamente están justificados para solucionar laimprecisión de los captadores tradicionalescon grandes corrientes,

o los transformadores de corriente con toroamagnético (figura 17 ).

Esta novedad tecnológica consigue unaperfecta utilización de los interruptoresautomáticos. Estos transformadores decorriente o toros Rogowski, están constituidospor un arrollamiento secundario que estábobinado sobre un material amagnéticoalrededor del circuito primario. Estostransformadores suministran al secundariouna tensión proporcional a la variación de lacorriente primaria. Al realizar la integración deesta tensión con los circuitos electrónicos seobtiene una imagen de la corriente primaria.

Fig. 16: Variación de corriente secundaria de untransformador en función de la corriente primaria(influencia de la saturación del circuito magnético).

Corriente primaria p

Corrientesecundaria s

Tolerancia de s

Saturación

Tole-ranciade p

Fig. 15: Esquema de principio de un transformadorde corriente con circuito magnético.

p

=sp

n

n espiras

Circuitomagnético


Al no tener circuito magnético, estoscaptadores tienen una perfecta linealidad contodos los valores de corriente.

La contrapartida de esta característica es:

– el valor bajo de la tensión que suministra,

– que el captador no proporciona ningunaenergía,

– la sensibilidad de la señal secundaria a lasdimensiones del toro.

Todos estos detalles tienen su solución:

– un tratamiento cuidadoso de la señal,

– la instalación de un segundo captador, detipo magnético, que proporciona la potencianecesaria para alimentar el sistema electrónicodel relé de disparo,

– el control de las dimensiones del toroutilizando materiales adecuados, a la vezestables, poco sensibles a la temperatura yfáciles de fabricar en serie.

La precisión de estos captadores permite situarel umbral de disparo muy cerca del valor límitede la resistencia del aparato (TED) y por otraparte se mejora el límite de la selectividad.

Los relés de autoprotección con di/dtn DescripciónPara mejorar las prestaciones del corte yobtener una cierta limitación de la corriente decortocircuito en aparatos no limitadores, sepuede utilizar un relé de autoprotección noajustado al valor instantáneo de la corriente(ver § «Precisión de disparo deautoprotección»), sino a su derivada (di/dt).

A una frecuencia dada, la derivada máxima dela corriente depende en efecto de su valoreficaz mediante la ecuación:

Imá x effdi / dt 2 2 f, donde f es la frecuencia

de la red, lo que da:

di/dtmáx = 0,443 Ief en 50 Hz (derivada enkA/ms si Ief está en kA)

di/dtmáx = 0,531 Ief en 60 Hz.

El peor caso en cuanto a velocidad deestablecimiento de la corriente de cortocircuitoes el constituido por una onda simétrica, quese desarrolla en forma de senoide según laecuación:

Ief 2 sen 2 f t (figura 18 ).

Si se quiere limitar la corriente máximaproducida por este tipo de onda, esindispensable actuar con extrema rapidez.

Precisamente la derivada de la corrienteofrece esta posibilidad, porque, en este caso,su valor máximo se alcanza al iniciarse elcortocircuito; en cambio, el valor umbralinstantáneo de la corriente puede tardar enalcanzarse varios milisegundos después.

Para un cortocircuito de 100 kAef a 50 Hz, laonda simétrica genera una corriente máximade 140 kA de cresta en alrededor de 5 ms(figura 18 ).

Con un interruptor automático deautoprotección basado en el valor del umbralde disparo instantáneo de 100 kA de cresta,hay que esperar unos 2,5 ms para alcanzareste umbral, quedando entonces muy pocotiempo para limitar la corriente de formasignificativa. Con un relé sensible a laderivada de la corriente, la orden de disparo

soporte depláctico

µs = k dip / dc

p

Fig. 17: Esquema de principio de un transformadorde corriente con toro amagnético.

Fig. 18: Principio de detección de un cortocircuito, apartir de la derivada instantánea de corriente ylimitación obtenida.

0

100

140

2,5 5 7,5 10

Tiempo

Corriente

Onda limitada

di/dt


puede darse instantáneamente, aunque sinembargo, con una ligera temporización paraevitar disparos intempestivos por parásitos.

n Influencia sobre la selectividadA pesar de lo dicho, este tipo de relé deautoprotección tiene un comportamientoparticular en cuanto a la selectividad. Enefecto, si aguas abajo de este aparato secoloca otro muy limitador, éste no tendrá efectosobre la derivada de la corriente en el origendel defecto, puesto que es necesario untiempo, aunque sea muy corto, para que suscontactos se abran y que la tensión de arcogenerada entre estos contactos haga frenar elaumento de la corriente y después la corte.

Por tanto, en este caso, la selectividadquedará limitada al valor de ajuste de laderivada de la corriente, independientementede los dispositivos de protección situadosaguas abajo .

Por tanto, es determinante para la selectividadque el fabricante ajuste este aparato al valormás alto posible, compatible con la limitaciónpretendida y su resistencia electrodinámica.

En el ejemplo anterior, si el ajuste se sitúa enun valor de 44,3 kA/ms que corresponde a unacorriente presunta de 100 kAef a 50 Hz, lalimitación actuará solamente a partir de estevalor de corriente presunta, pero encontrapartida habrá selectividad con losaparatos aguas abajo hasta este mismo valor.Téngase presente que este mismo aparato a60 Hz tendrá el mismo comportamiento, peropara un límite de 83 kAef en lugar de 100 kAef.

Los relés con curva «IDMTL»

nnnnn DescripciónEn un campo muy diferente de lasconsideraciones anteriores, que se refiere a laselectividad de los interruptores automáticos enrégimen de cortocircuito, algunos relés «degama alta» ofrecen curvas de disparo llamadas«IDMTL» definidas por la norma CEI 60 255-3.

Estas curvas permiten mejorar la selectividadde los interruptores automáticos en situaciónde sobrecargas , donde la selectividad puedeestudiarse con facilidad comparando lascurvas de disparo de los dispositivos deprotección aguas arriba y aguas abajo(figura 19 ).

Fig. 19: Curva de disparo «IDMTL» de un interruptorautomático.

r 6 r Corto retardo

4t constante

2t constante

t constante

t constante

tr

t

Con estos relés, es posible ajustar además delumbral y la temporización del relé de «largoretardo» la pendiente de tiempo de disparoen función de la corriente .

Ésta es la pendiente estándar, del tipoI2 t = constante, es decir, que el tiempo dedisparo es inversamente proporcional alcuadrado de la corriente y permite unaprotección contra esfuerzos térmicosconstantes.

Las curvas IDMTL permiten diferentes tiemposde disparo, a escoger:

o constante(t = constante; DT = «Definite Time»),

o inversamente proporcional a la corriente(I t = constante; VIT «Very Inverse Time»),

o inversamente proporcional al cuadrado dela corriente(I2t = constante; EIT = «Extremely InverseTime»),

o inversamente proporcional a la potencia 4ªde la corriente(I4t = constante; HVF = «High Voltage Fuse»).

Esto permite conseguir una selectividad mejor,especialmente con los interruptoresautomáticos de MT situados aguas arriba, quetienen normalmente un tiempo de disparoconstante, o con los fusibles de MT que tienenuna pendiente superior a I2t (§ 4.3).


3.3 Selectividad al cierre

Riesgos debidos a la conexión sobre undefectoCuando se cierra un aparato, el mecanismodebe proporcionar la energía necesaria para lamaniobra de los contactos, en especial para lacompresión de los resortes que aseguran lafuerza de apoyo de los contactos móvilessobre los contactos fijos. Es esta fuerza la quegarantiza el paso idóneo de la corriente sinuna elevación excesiva de la temperatura.

Cuando un interruptor se cierra sobre unacorriente normal o de sobrecarga, lascondiciones descritas no varíansignificativamente de lo dicho.Por el contrario, cuando un aparato se cierrasobre una corriente de cortocircuito, seproducen esfuerzos electrodinámicosconsiderables entre los contactos, inclusoantes de que se complete el mecanismo decierre con su acompañamiento y después lareapertura inmediata. Esta situación debeevitarse so pena de destrucción rápida delaparato debido a una sucesión ininterrumpidade tentativas de cierre y apertura sin que elrelé tenga tiempo de intervenir.

Necesidad de distinguir el caso de cierrecon corriente normal o con corriente decortocircuitoPor tanto, hay una diferencia sensible entre lacorriente que un aparato puede soportarcuando está cerrado (resistenciaelectrodinámica) y la corriente que el aparatopuede establecer completamente (capacidadde cierre) y que los anglosajones llaman«close & latch».Se puede admitir que se controla el valor de lacorriente que el aparato es capaz de establecercompletamente, controlando la energía delmecanismo de mando. Al aumentar estaenergía, aumentará el límite de corriente. Sinembargo, cuando las maniobras se hacen sincorriente o con corriente «normal», estaenergía adicional no se consumirá en loscontactos y por lo tanto se disipará en choquesen el mecanismo. Por tanto, no se puedeaumentar impunemente esta energía sin poneren compromiso la endurancia del mecanismo,valor esencial para el usuario, puesto quecondiciona la esperanza de vida del aparato.

La solución del relé de 2 márgenes dedisparoPara poder utilizar un aparato en circuitosdonde la corriente puede alcanzar valoressuperiores a su capacidad de cierre, hay unasolución, que consiste en hacer disparar alaparato si la corriente durante el cierre delcircuito sobrepasa esta capacidad. Laapertura se produce entonces en condicionescontroladas que no suponen ninguna dificultadespecial.

Puesto que esta capacidad de cierre es inferiora su resistencia electrodinámica, siempre esposible colocar un simple relé instantáneo conun umbral de disparo inferior a esta capacidad:entonces se perdería todo interés por tener unaresistencia electrodinámica elevada. Por tantohace falta disponer de un relé instantáneo condos umbrales; uno «bajo», que sólo está activodurante el cierre (llamado «DINF»), y el otro«alto», que está activo cuando el aparato estácompletamente cerrado (DIN).

En la práctica, este sistema puede aplicarsede dos maneras:

n la primera solución, muy utilizada, consisteen tener activo el margen bajo durantealgunas decenas de milisegundos desde queel relé detecta la corriente. Esta solución esfácil de instalar, puesto que sólo afecta al reléy por tanto puede ejecutarse de maneraenteramente electrónica. Sin embargo, tieneun inconveniente mayor: no permite distinguirentre un aparato abierto que cierra y unaparato que anteriormente cerrado, sincorriente, o con una corriente muy baja, vesúbitamente llegar una corriente decortocircuito. Esto es lo que sucede con uninterruptor automático de entrada, cerrado, sincorriente, cuando se cierra uno de losinterruptores de distribución aguas abajosobre un cortocircuito. En este caso, el umbralDINF del interruptor automático de cabeza, seactiva sin motivo y perjudica la selectividadcuando el aparato sería suficientemente capazde proteger con su margen DIN,n una segunda solución, más satisfactoria,consiste en detectar el movimiento de cierredel aparato y temporizar esta información eltiempo necesario para asegurar que el aparatoestá completamente cerrado, utilizando estainformación en forma de contacto eléctricopara hacer conmutar el relé del estado DINF alestado DIN. Esta solución garantiza que elumbral bajo sólo está activo en el momentooportuno y no va a disminuir inadecuadamentela selectividad de un aparato ya cerrado.

Importancia de la selectividad en caso deun cierre con defectoHay que decir por último que después delcierre de un interruptor automático, la pérdidade selectividad provocada por la protecciónDINF es una consecuencia limitada, puestoque el disparo del aparato no tiene el riesgode desconectar una parte de la instalación queanteriormente hubiera estado ya alimentada.Sin embargo, la selectividad sigue siendo útilporque permite, al menos hasta el umbralDINF, cerrar el aparato aguas arriba y no dejardisparar el aparato aguas abajo afectado porel defecto, facilitando así la localización delcortocircuito.


4 Caso de aplicación: ejemplos de elección de interruptoresautomáticos en una instalación BT

4.1 Presentación de la instalación estudiada

El ejemplo que se estudia corresponde a lainstalación BT representada en la figura 20 .Este estudio incluye la coordinación de lasprotecciones entre la BT y la protecciónsituada aguas arriba de cada transformador dealimentación MT/BT. La elección se refiere alos productos de la marca Merlin Gerin.

La instalación tiene dos entradas MT de 20 kVprotegidas por fusible, equipada cada una con

Fig. 20: 1er ejemplo de instalación (con transformadores MT/BT 1600 kVA) con indicación del orden de estudiode la selectividad.

80 A

20 kV

NW25H1

TGBT

20 kV / 410 V1600 kVA n 2253 A cc 36 kA

cc 50 kA

cc 72 kA cc 72 kA

A

5

44

33

1

NT08L1

NW25H1

NS250H

700 A

185 A

D

C

F

Cable

80 A

NW25H1

20 kV / 410 V1600 kVA n 2253 A cc 36 kA

cc 50 kA

B

5

2

NW10H2

NS400H

750 A

330 A

E

G

Cable

un transformador MT/BT de características20 kV/410 V, 1600 kVA y un interruptorautomático de entrada BT (A) o (B).Un interruptor automático de acoplamiento (C)permite hacer funcionar las dos partes de lainstalación conjunta o separadamente paraoptimizar la disponibilidad de la energía encaso de fallo de una de las dos entradas.


4.2 Dimensionamiento de los aparatos de protección

Calibre de los aparatos (A) y (B) instaladosen las entradas BTDeterminación de la corriente nominal en lasentradas BT:

1600 kVA en 410 V que corresponden a una

corriente nominal de 1600 000

2 253 A.410 x 3

Se elegirán por tanto para la entrada aparatosde calibre 2 500 A.

Calibre de los fusibles instalados en lasentradas MT

La corriente nominal en las entradas MT es:

In1600 000

46 A.20 000 x 3

Se elegirán por tanto de acuerdo con loscuadros de selección de los fabricantes,fusibles de calibre 80 A (para tener en cuentalas corrientes de conexión y sobrecarga peroasegurando la protección térmica deltransformador).

Poder de corte de los diversos aparatos

n Corrientes de cortocircuito en diferentespuntos de la instalaciónCada transformador tiene una corriente decortocircuito Icc = 36 kA (corriente quedepende de la potencia y de la tensión decortocircuito del transformador).

Por tanto, cuando el interruptor deacoplamiento está cerrado, se tiene aguasabajo de los aparatos (A) y (B) un poder decortocircuito de 2 x 36 = 72 kAef si sedesprecian las impedancias del juego debarras. La corriente de cortocircuito queatraviesa los interruptores automáticossituados en (F) y (G) no será mayor que unos50 kA, teniendo en cuenta las impedancias delos cables.

n Poder de corte de los aparatosEl poder de corte necesario para cada aparatose calcula después de los valores de corrientede cortocircuito en los diferentes puntos de lainstalación.

Los interruptores (D) y (E) deberán tener unpoder de corte superior a 72 kA; para losinterruptores automáticos (A), (B) y (C) serásuficiente un poder de corte mayor que 36 kA;los interruptores automáticos (F) y (G)deberán tener como mínimo un poder de cortede 50 kA.

4.3 Elección de los aparatos para asegurar la selectividad

PrincipioLa determinación de la selectividad se hacecomparando las características de cadainterruptor automático con las de la protección(interruptor automático o fusible) situadainmediatamente aguas arriba.

Los interruptores automáticos de potenciasituados en la parte más baja de la instalaciónse elegirán y ajustarán para disparar «lo másrápidamente posible», de manera que limitenlos sobreesfuerzos en la instalación en casode sobreintensidad.

Una vez fijadas las características de estosinterruptores automáticos, se «sube en lainstalación» para asegurar la selectividad delos interruptores de dos en dos (interruptorautomático superior/interruptor automáticoinferior).

Selectividad entre los interruptoresautomáticos (F) y (D)o en (F): In = 185 A; Icc = 50 kA

Se podrá utilizar un interruptor automático decalibre 250 A, por ejemplo, un CompactNS 250 H (PdC 70 kA a 415 V),

o en (D): In 700 A; Icc = 72 kA

Se podrá utilizar un interruptor automático decalibre 800 A, por ejemplo un Compact NS800 L o un Masterpact NT 08 L1 (PdP 150 kAa 415 V).

Mecanismo de selectividadEl aparato (F) es muy limitador (la corriente decresta máxima que deja pasar es de 22 kA decresta para un cortocircuito presunto de50 kAef); este interruptor automático permitiríapor tanto una selectividad de tipo «pseudo-cronométrica» con el interruptor automático (D).


Sin embargo, el interruptor automático (D) estambién limitador, con una resistenciaelectrodinámica baja para conseguir unalimitación muy buena. Por tanto, aquí se aplicael principio «SELLIM », y se consigue teneruna selectividad total entre (F) y (D) (porque,según el principio de selectividad SELLIM elrelé de (D) no dispara con la primera onda decorriente).

La función «SELLIM» se incorporasistemáticamente en los relés Micrologic y seactiva automáticamente en los aparatosafectados.

Selectividad entre los interruptoresautomáticos (G) y (E)o en (G): In = 330 A; Icc = 50 Ka

Se podrá utilizar un interruptor automático decalibre 400 A, por ejemplo un Compact NS400 H (PdC 70 kA a 415 V)

o en (E): In = 750 A; Icc = 72 kA

Se podrá utilizar el mismo interruptorautomático (limitador) que en (D), pero, comola limitación del NS 400 H es menor que la delNS 250 H, esta asociación no será totalmenteselectiva. Para una selectividad aumentada,se podrá utilizar un interruptor automáticoselectivo y utilizar el poder de limitación delaparato (G) para conseguir, si es necesaria, laselectividad pseudo-cronométrica.

Por ejemplo, un Masterpact NW 10 H2

(In 1 000 A, PdC 100 kA en 415 V,

Icw = 85 kAef /1 s).

n Mecanismo de selectividadPuesto que la Icw (85 kA) es inferior al PdC(100 kA), este aparato tiene un reléinstantáneo de autoprotección con un umbralde disparo (DIN) en 170 kA de cresta.

Con una Icc = 72 kAef, la corriente de crestamáxima en (E) es de 72 x 2,3 = 175 kA decresta. Puesto que el umbral DIN no sealcanza nunca, no habrá disparo producidopor el DIN y que comprometa la selectividad.

Por otra parte, en caso de cortocircuito en (G),la corriente de cresta máxima, quecorresponde a una Icc de 50 kA, ¡se limitarápara (G) a 30 kA de cresta! Por tanto laselectividad será total , con la condición dedotar siempre al aparato (E) de un relé con unumbral instantáneo superior a 30 kA de cresta,

o sea, Ief n30

21 kA 212

, y ajustar la

temporización del relé de corto retardo al valorde 0,1 s.

n Variante

También se podría utilizar en (E) un aparatolimitador, que tuviera una TED mayor que lade (D). Por ejemplo un NW 10 L1 (In 1000 A;PdC 150 kA en 415 V, Icw 30 kA/1s).

n Ventaja de esta variante

La elección de este tipo de interruptorautomático reduce considerablemente losesfuerzos electrodinámicos en los cablesentre (E) y (G), Por su poder de limitación(125 kA de cresta a 72 kAef, frente a 165 kAde cresta sin limitación). Este interruptorautomático está dotado de un relé instantáneode autoprotección a 80 kA de cresta, que portanto nunca será solicitado en caso de defectoaguas abajo de (G) (Icc limitada a 30 kA decresta). Por tanto, se tendrá también aquíselectividad total, de tipo pseudo-cronométrico, es decir, debida a la limitacióndel aparato aguas abajo.

(Nota: un aparato no limitador en (G) dejaríapasar, en caso de cortocircuito, una intensidadde cresta de 50 kA x 2,3 = 115 kA de cresta,lo que provocaría el disparo del interruptorautomático (E).

Selectividad entre los interruptoresautomáticos (E) y (C)Esta selectividad no es indispensable si lasdos entradas están operativas (porque laapertura del acoplamiento no interrumpe laalimentación por (A) y (B)). Por el contrario, nose consigue si la entrada (B) está fuera deservicio.

o Valor de la corriente nominal In en (C):

Para conseguir la máxima fiabilidad, losaparatos de acoplamiento se dimensionan deigual manera que los aparatos de entrada, osea, In = 2 500 A. Como que Icc = 36 kA, sepodrá utilizar un interruptor automáticoselectivo que permitirá una selectividadcronométrica con (E) (y con (D), quenecesariamente ha de ser limitador). Porejemplo, un Masterpact NW 25 H1 (In 2 500 A,PdC 65 kA a 415 V, Icw 65 kA/1 s).

n Explicación de esta elecciónPuesto que la Icw del aparato es igual a suPdC, esto no obliga a utilizar un reléinstantáneo de autoprotección; la selectividadcronométrica podrá por tanto aplicarse sinrestricción hasta el PdC. Por tanto, elinterruptor automático (C) estará dotado de unrelé selectivo, con los ajustes de disparoinstantáneo en la posición «off» y latemporización de corto retardo en la posición0,2 s (puesto que la temporización del relé decorto retardo del interruptor automático (E)está ajustada en la posición 0,1 s).


Selectividad entre el interruptor automático(D) y (C)La solución aplicada para la selectividad entre(E) y (C) es válida también entre (D) y (C),puesto que (C) es totalmente selectivo hastasu PdC.

Selectividad entre los interruptoresautomáticos (C) y (B) o entre losinterruptores automáticos (C) y (A)Se trata de dos aparatos selectivos sin reléinstantáneo de autoprotección. Aquí tambiénse aplica la selectividad cronométrica hastasu PdC.

Para (A) y (B): relé selectivo, con el reléinstantáneo ajustado a la posición «off» y latemporización de corto retardo ajustada en laposición 0,3 s (puesto que la temporizacióndel relé de corto retardo del interruptorautomático (C) está ajustada en la posición0,2 s).

Selectividad entre los interruptoresautomáticos (A) o (B) y los fusibles MTPara analizar esta selectividad, hay quecomparar las curvas de disparo de losinterruptores automáticos BT y las de losfusibles MT.

Para esto hay que transportar la curva delfusible MT a la gráfica BT, multiplicando laescala de corriente por la razón detransformación, en este caso:20000/410 = 48,8 (figura 21 ).

La selectividad se estudia con dos tipos derelés: primero para un relé selectivo estándary segundo para un relé con curva IDMTL.

n Ajuste en el caso de relés selectivosestándaro Umbral de largo retardoNo hay problema: la corriente límite de nodisparo del fusible está muy por encima de lacorriente límite de disparo del interruptorautomático; por tanto se podrá ajustar elumbral de largo retardo a su valor máximo(o sea, I r = In).

o Temporización de largo retardo y umbralde corto retardoLa característica de fusión de los fusibles MTtiene una pendiente mucho mayor que la deldisparo del relé de largo retardo (LR), dependiente I2t (figura 21 ).

Por tanto será necesario, para evitar laintersección de ambas curvas, ajustar latemporización de largo retardo (tr), o el umbralde corto retardo (Isd) a valores suficientementebajos.

En este caso, un buen compromiso consisteen ajustar tr = 12 s (para 6 I r, con un margenque va generalmente de 1 a 24 s), e Isd = 4 I r(con un margen de 1,5 a 10 I r).

Estos valores permitirán dejar pasar sindesconexión intempestiva los picos deconexión o de corriente de arranque de losreceptores situados aguas abajo; el estudiodetallado hay que hacerlo en función de estosreceptores. Con un umbral mayor de cortoretardo, 5 I r por ejemplo, habrá que disminuirtr a 4 s.

o Temporización de corto retardoPuesto que la temporización de corto retardoestá ajustada en la posición 0,3 s paragarantizar la selectividad con los aparatosaguas abajo, como se ha indicadoanteriormente, las curvas del fusible y delinterruptor automático se cortan hacia 10 In(figura 21 ). Por tanto, la selectividad entre elinterruptor automático y el fusible MT quedarálimitada a aproximadamente 25 kAef para unacorriente de cortocircuito máxima Icc de36 kAef.

n Ajuste en el caso de relés con curvaIDMTL (ver § Relés con curva «IDMTL»)

Con estos relés, se puede adaptar lapendiente de la curva de largo retardo. Eneste caso, se podrá optar por la pendiente«HVF» (Hig Voltage Fuse), que es la que másse acerca a la del fusible (pendiente en I4t).

Con una temporización de 6 I r de 2 s, seobtiene una insensibilidad mejor a lascorrientes transitorias de valor elevado (picosde conexión o de arranque) en la zona de lascurvas comprendida entre 5 y 10 I r y el umbralde corto retardo puede ajustarse a cualquiervalor deseado hasta 10 I r (figura 21 ).


Fig. 21: Análisis de la selectividad entre un interruptor automático BT y unos MT - aplicación en el caso de lainstalación estudiada.

Fusible MT 80 A, acompañamiento BT

Curva fusible AT tr = 2 s

Curva 2ttr = 12 s

Umbral corto retardo = 4 r

cc máx 36 kA

Corto retardo: posición 0,3 s

10000

1000

100

10

1

0,1

0,01

0,100 1,000 10,000 100,000

Td (s)

/ n

4.4 Variante con selectividad lógica

Esta variante necesita en (A), (B), (C), (D) y(E) la utilización de relés que tengan estafunción (tipo Micrologic 5.0 A).

DescripciónEl principio teórico y el funcionamiento real dela selectividad lógica se detallan en elCuaderno Técnico nº 200, dedicado a este tipode selectividad. Recordemos que cada relétiene dos bornes de entrada (IN), para

conectar a los aparatos aguas abajo y dosbornes de salida (OUT) para conectar a losaparatos aguas arriba (figura 22 ).

Cuando un relé detecta un defecto superior asu umbral de corto retardo, cortocircuita losbornes de salida. Cuando un relé ve susbornes de entrada cortocircuitados, activa latemporización de corto retardo. Si no, disparainstantáneamente.


Instalación en este caso

n Los primeros aparatos (D) y (E) tendrán susentradas cortocircuitadas permanentementepara que esté activa la temporización de cortoretardo. Esto garantiza la selectividad con elnivel inferior (interruptores automáticosCompact NS).

n A continuación se llevará a cabo elcableado y el ajuste de las temporizaciones decorto retardo según se ve en la figura 22 .

El cableado directo entre (E) y (B) por unaparte y (D) y (A) por otra, permite asegurar laselectividad entre estos aparatos cuando elinterruptor automático de acoplamiento (C)está abierto. Los diodos garantizan laindependencia de las dos mitades de lainstalación: en este caso, evitan que (D) actúesobre (B) y que (E) actúe sobre (A).

Funcionamiento

n En caso de defecto aguas abajo de (G)(figura 20 ), (G) disparará instantáneamente ,y (E) quedará temporizado en 100 ms, portanto no disparará y enviará una señal a (C),

OUT

A

CR, ajuste a 2

IN

OUT

C

CR, ajuste a 2

IN

OUT

B

CR, ajuste a 2

N

OUT

D

CR, ajuste a 1

IN

OUT

E

CR, ajuste a 1

IN

Otrasderivaciones

Otrasderivaciones

Fig. 22: Instalación de la selectividad lógica: gráfico del ajuste de temporizaciones y cableado de los relés.

que quedará por tanto temporizado 200 ms(no disparo) y retransmitirá la señal a (A) y (B)(temporizaciones ajustadas a 200 ms ⇒ no-disparo) y por tanto sólo (G) disparará.

n En caso de defecto entre (G) y (E) Edisparará al llegar a 100 ms , enviará unaseñal a (B) y (C) que serán temporizadas en200 ms (no disparo), y (C) enviará una señal a(A), temporización ajustada a 200 ms ⇒ nodisparo).

Si (C) está abierto no enviará señal a (A), peroéste no verá el cortocircuito.

n En caso de defecto entre (E) y (C)

o si (C) está cerrado, (C) dispararáinstantáneamente , y enviará señal a (A) y a(B) (temporizaciones ajustadas a 200 ms).Puesto que el defecto está alimentado por dosentradas en paralelo, (C) cortará la corrienteentregada por el transformador de la izquierday (A) permanecerá cerrado, dejando la partede la izquierda de la instalación en servicio.(B), al cabo de 200 ms, interrumpirá lacorriente entregada por el transformador de laderecha.


o si (C) está abierto, no enviará señal a (B),que por tanto disparará instantáneamente.

n En caso de defecto entre (C) y (B), (B)disparará instantáneamente .

Nota: un defecto entre (E) y (C) o entre (C) y(B) es muy poco probable, puesto que estosaparatos están situados normalmente en unmismo cuadro.

De este modo, la selectividad lógica permitelimitar mucho los esfuerzos sobre lainstalación, tanto más cuanto más cerca esténlas salidas de la fuente de alimentación de la

4.5 Variante con dos entradas más potentes

Sea un esquema como el anterior, pero con:

n la potencia de los transformadores llegahasta 2500 kVA y la intensidad del circuito dederivación (E) hasta 2200 A,

n la protección MT se ha hecho coninterruptores automáticos MT (figura 23 ).

La corriente nominal en (A) y (B) pasa a ser de3520 A y la Icc 54 kA. En el juego de barrasprincipal Icc pasa a ser de 108 kA.

Elección del interruptor automático MTPara una tensión MT de 20 kV, se podráutilizar un interruptor automático tipo «MC-Set»

red. Sin este artificio, un defectoinmediatamente aguas abajo de (A) o (B)provocaría un disparo en más de 300 ms,frente a lo conseguido aquí, que es desolamente algunas decenas de milisegundos.

Por otra parte, puesto que el disparo de losaparatos es instantáneo en la casi totalidad delos casos, la selectividad con los fusiblesMT será total , puesto que estará limitada a25 kAef debido a la temporización de 300 msde corto retardo de los aparatos (A) y (B).

Fig. 23: 2º ejemplo de instalación (potencia de los transformadores MT/BT 2500 kVA).

20 kV

NW40H1

CGBT

Int. autom. MT Int. autom. MT

20 kV / 410 V2500 kVA n 3520 A cc 54 kA

cc 78 kA

cc 108 kA cc 108 kA

A

5

4

5

4

3 3

1

NT08L1

NW40H1

NS250H

700 A

185 A

D

C

F

Cable

NW40H1

20 kV / 410 V2500 kVA n 3520 A cc 54 kA

cc 95 kA

B

2

NW25H3

NS400H

2200 A

330 A

E

G

Cable


de la marca Merlin Gerin, con un relé deprotección Sepam de tipo «transformador».

Este relé tiene 2 umbrales de disparo(figura 24 ).

El primero sirve de protección en caso decortocircuito entre el transformador y elinterruptor automático BT, o en caso de fallode la protección BT. El segundo sirve deprotección en caso de cortocircuito por encimadel transformador.

Elección de los interruptores automáticos BTn Interruptor automático (E)Puesto que la Icc es superior a 100 kA, no sepodrá utilizar un NW 25H2 (PdC 100 kA). ¡Yano se puede utilizar un interruptor automáticolimitador cuya corriente nominal no supere los2000 A (NW 20L1)!

La solución consiste en utilizar un interruptorautomático selectivo de alto poder de corte,como el NW 25H3 , que proporciona un PdCde 150 kA con una Icw de 65 kA/3 s.

n Interruptores (A), (B) y (C)Para In = 3520 A, se elegirán interruptoresautomáticos del tipo NW 40H1 (In 4 000 A,PdC 65 kA, Icw 65 kA/1 s.

Ajuste de los aparatos para asegurar laselectividadNo hay que hacer ningún cambio fundamental.El aparato (E) se temporizará en la posición0,1 s; el aparato (C) se temporizará en laposición 0,2 s; y los aparatos (A) y (B) setemporizarán en la posición 0,3 s.

En caso de utilización de la selectividadlógica, seguirá siendo válido el esquema de lafigura 22 .

Fig. 24.

Curva 2ttr = 12s

Umbral corto retardo = 5 r

10000

1000

100

10

1

0,1

0,010,100 1,000 10,000 100,000

Td (s)

/ n

cc BT máx 54 kA

cc MT máx

Umbral alto1400 A (BT : 68 kA)

Int. autom. MTacompañamiento BTumbral bajo 600A(BT: 29 kA)


Normasn CEI 60255-3

Cuadernos Técnicos Schneider Electricn Interruptores automáticos con SF6 Fluarc yprotección de motores MT.Cuaderno Técnico nº 143.D. GIBBS - J. HENNEBERT

n Evolución de los interruptores automáticosBT con la norma CEI 60947-2.Cuaderno Técnico nº 150.E. BLANC

n Los esfuerzos electrodinámicos en losjuegos de barras BT.Cuaderno Técnico nº 162.JP. THIERRY - C. KILINDJIAN

n La selectividad energética en BT.Cuaderno Técnico nº 167.R. MOREL - M. SERPINET

n Protección de redes por el sistema deselectividad lógica.

Bibliografía

Ajuste del relé de protección delinterruptor MTEl primer umbral debe ser inferior a lacorriente de cortocircuito aguas abajo deltransformador, o sea, 54 kA lado BT, queequivalen a 1100 A lado MT. Debe de serselectivo con el umbral de corto retardo de losinterruptores automáticos (A) o (B). Si seajusta a 5 In, el valor correspondiente máximoserá In veces su umbral de tolerancia, portanto: 4 000 x 5 x 1,1 = 22 kA, o sea, 450 Alado MT.

El primer umbral MT podrá por tanto ajustarsea 600 A.

Para evitar la interferencia con latemporización de corto retado de 0,3 s, latemporización ligada a este primer umbral seajustará, por ejemplo, a 0,6 s.

El segundo umbral deberá ser superior a lacorriente de cortocircuito citada (1100 A) einferior a la corriente de cortocircuito aguasarriba del transformador. Suponiendo que lared tenga una potencia de cortocircuito de150 MVA, la corriente correspondiente será de4 kA lado MT.

El segundo umbral podrá ajustarse a 1400 A.

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