manual protecciones electricas

8/12/2019 Manual Protecciones Electricas

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PROTECCIN DE SISTEMAS ELCTRICOSDE POTENCIA BSICO

PARTE I


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PROTECCIN DE SISTEMAS ELCTRICOSDE POTENCIA BSICO

PARTE I


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CONTENIDO

1. INTRODUCCIN.2. FUNDAMENTOS Y TIPO DE PROTECCIN.3. CLCULO DE CORTOCIRCUITO.4. TRANSFORMADOR DE CORRIENTE Y TENSIN.

5. FUSIBLES.6. PROTECCIN TERMOMAGNETICA.7. RELES DE SOBRECORRIENTE.8. RELES DIRECCIONALES DE SOBRE CORRIENTE.9. RELE DE POTENCIA INVERSA.

10. PROTECCION DE TRANSFORMADORES.11. PROTECCIN DE MOTORES DE INDUCCIN.12. PROTECCIN DE CABLES.13. PROTECCIN DE BARRAS14. PROTECCIN DE GENERADORES.

15. RELES MULTIFUNCIN.


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INTRODUCCIN


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INTRODUCCIN

Comnmente cuando se habla de un sistema elctrico depotencia, la atencin se concentra en sus componentesde operacin y maniobra (generadores, lneas, cargaetc.) sin tener en cuenta otro conjunto de dispositivos,

que localizados estratgicamente, se encargan de velarpor el buen funcionamiento de dichos componentes, paragarantizar el suministro de energa a los diversos centrosde consumo. Tales dispositivos constituyen elllamado sistema de proteccin.

En las instalaciones industriales de proceso continuo, talcomo es le caso de la industria petrolera, las fallas delequipo elctrico producen serios trastornos que a su vezocasionan grandes prdidas econmicas.


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INTRODUCCIN

La experiencia nos demuestra que durante los procesosnormales de maniobra y operacin de un sistema depotencia, se presentan perturbaciones que van desdesimples efectos de sobrecargasobrecargahasta grandes y destructores

efectos de cortoefectos de cortocircuitoscircuitosproducidos generalmente por fallasde aislamiento.

El sistema de proteccin deber estar siempre diseadopara aislar las fallas con un mnimo de disturbio en el

sistema de potencia, en funcin a los requerimientos de laplanta o instalacin y los costos de instalacin.

Es prcticamente imposible evitar en absoluto las fallas, ancuando actualmente se hacen grandes inversiones para

mejorar las condiciones de los sistemas.


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Por lo tanto el objetivo principal de un sistema de proteccin esevitar en lo posible daos a personas y equipos, y limitar la

extensin y duracin de la interrupcin del servicio a causa delas fallas elctricas o errores humanos durante la operacin delsistema.Las circunstancias causantes del mal funcionamiento de losequipos no son siempre predictibles, por lo tanto una buena

seleccin y un buen mantenimiento pueden reducir las fallas ydisponer de una buena disponibilidad.

INTRODUCCIN


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Aspectos bsicos para mantener el sistema en operacinnormal durante el mayor tiempo posible:

Prevencin de fallasAislamiento adecuado.

Una buena coordinacin de corrientes y aislamientoPrcticas apropiadas de operacin y mantenimiento.

Atenuacin de los efectos de fallas.Limitar la magnitud de las corrientes de fallas por medio

impedancias limitadoras y/o fusibles limitadores.Medios de desconexin rpidos de los circuitos

afectados.Disponer de los elementos de reserva necesarios.Seleccionar la proteccin adecuada.

INTRODUCCIN


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FUNDAMENTOS Y TIPO DE PROTECCIN


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Los reles de proteccin generalmente operan en repuesta a

una magnitud de corriente abriendo o cerrando contactosy/o disparando un tiristor. Excepto los reles trmicos queoperan con temperatura, los reles de proteccin sonconstruidos usando medios electromagnticos o el principioesttico.


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Principio de Operacin Reles Electromecnicos.

Los reles electromagnticos tienen solamente dos principios:Atraccin electromecnica.Induccin electromecnica.

Atraccin Electromecnica.La fuerza atraccin electromecnica, que puede ser del tipoembolo o bisagra, ejercida sobre el elemento mvil esproporcionar al cuadrado del flujo en el entre hierro.


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4

2

3 KIKF

2

2

1F = Fuerza netaK1= Constante de conversin

= Flujo en el entrehierro proporcional a la corriente.K2 = Fuerza de oposicin (Resorte, peso etc.)I = Corriente en la bobina.

si F es 0 entonces

teConsK

KI tan

3

4



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RELE ATRACCIN ELECTROMAGNETICATIPO BISAGRA


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RELE ATRACCIN ELECTROMAGNETICATIPO EMBOLO


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Rels electromecnicos de induccin.Los reles electromecnicos de induccin utilizan el principio

del motor de induccin, donde el torque es desarrollado porinduccin en el rotor. Este principio es aplicado en losmedidores de KWH, donde el rotor es el disco como en losreles. La fuerza actuante desarrollada en el rotor es elresultado de la interaccin de los flujos electromagnticos de

la bobina y el flujo producido por las corrientes eddyinducidas en el rotor.


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2

2

1 KIKT

T = Torque.K1= Constante de conversin

I = La corrienteK2 = Fuerza de oposicin (Resorte, peso etc.)

2

2

1 arr

teConsK

KIarr tan

1

2


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Los reles de induccin pueden ser usados solamente en CA,y el rotor es normalmente un disco o cilindro.

Los reles de sobre corriente temporizado, bajo voltajetemporizado y sobre voltaje temporizado son fabricados condisco, mientras los reles hechos con el rotor tipo cilindro sonfrecuentemente utilizados en reles de sobre corriente de altavelocidad, como los reles direccionales, diferenciales y a

distancia.



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RELE TIPO DE INDUCCIN


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Principio de Operacin Reles EstticosComo su nombre lo indica son reles construidos conelementos semiconductores sin movimiento, diseadospara dar la repuesta requerida cuando se sobre pasauna condicin crtica previamente determinada.

Los rels estticos son extremadamente rpidos, ya quesu operacin no requiere de partes mviles,obtenindose repuestas en un tiempo que puede se tanbajo como ciclo.


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Estos reles pueden ser anlogos o digitales. El rele anlogointroducido a comienzo de los aos 60 fue tpicamente

diseado para emular las caractersticas de los releselectromecnicos. Pronto, la tecnologa digital fueimplementada en los diseos de los reles, concaractersticas completamente fuera de las capacidades delos diseos electromecnicos.


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La operacin del rele esttico es convertir las seales de

entrada en una magnitud apropiada para la medicin, la cuales directamente proporcional a dichas seales. El valormedido es entonces comparado a un ajuste predeterminado.El tiempo y otras caractersticas son derivados de diseos decircuitos anlogos o algoritmos de un microprocesador.


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N L1

PIC16F877

SPI

SensorVoltajeLV20-P

SensorCorrienteLAH25-PN

CS5460A

Modulo LCDADC

ADC

RelayCorte

Fusible50 amp.

PUSHboton

RS-485SN75176

USART

Cable Comunicacin

MICROPROCESADOR DISPLAY

PROTECCION ESTTICA


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FUNDAMENTOS DE PROTECCIN

DIAGRAMA DE BLOQUE RELE DIRECCIONAL


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FUNDAMENTOS DE PROTECCIN


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CLCULO DE CORTOCIRCUITO.


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Los corto circuitos ocasionan destrucciones masivas enlos sistemas de potencia, tpicamente las magnitudesestn muy por encima de las corrientes de carga normal.Las consecuencias de estas altas corrientes pueden ser

catastrficas para la operacin del sistema.

Las causas o efectos de esta alta corriente pueden ser:

Incrementa en magnitudes elevadas el calor en los

equipos.

Genera esfuerzos mecnicos en conductores quepueden daar aisladores y desplazar las bobinas en lostransformadores u otros daos fsicos.


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El flujo de estas altas corrientes a travs de lasimpedancias de los circuitos pueden resultar en muy bajosvoltajes, el cual afectan el funcionamiento de otros equipos

forzndolos a sacarlos fuera de servicio.

Finalmente, en el punto de falla la energa desarrollada esde forma de arco, que si se mantiene sin despegue puedecomenzar un incendio que puede ser expandido en otrospuntos lejanos a la falla. .


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EFECTOS DE LAS CORRIENTES DE FALLA CONPROTECCIN INADECUADA


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EFECTOS DE LAS FALLAS DE ARCO CON

PROTECCIN INADECUADA


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EFECTOS DE LAS FALLAS DE ARCO CON

PROTECCIN INADECUADA


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lcs

lZZZ

VI

CIRCUITO EN CONDICIONES NORMALES DE OPERACIN


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CIRCUITO EN CONDICIONES NORMALES DE OPERACIN

max

wtsenoZZZ

V

tilcs


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Cs

scZZ

VI

CIRCUITO EN CONDICIONES DE FALLA


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CIRCUITO EN CONDICIONES DE FALLA


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Por que hay que calcular los valores de corto circuito?

A fin de obtener una operacin selectiva y segura demanera de proteger al sistema de daos, se debe de

calcular primeramente la falla disponible en los distintosde las barras de los sistemas.

Una vez determinado los niveles de corto circuito en lasdistintas barras del sistema, puede especificarse lascapacidades de interrupcin de los interruptores, realizarla coordinacin y proveer los componentes deproteccin.


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Las fallas de corto circuitos francas entre lnea a lnea obifsica, tienen una magnitud aproximada del 87% delvalor de la falla trifsica, y la falla franca de fase a tierra,en un sistema solidamente puesto a tierra pueden estarentre el orden del 25% o 60% al 125% de los valores defalla trifsica, claro est dependiendo de los parmetrosdel sistema. Normalmente el 125% ocurre en los puntoscercanos a las fuentes de alimentacin.

Especialmente en bajo voltaje y cuando no son francaslas fallas de arco a tierra, suelen ser menor a la corrientede carga causando incendios si no se dispone de unabuena proteccin.


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En este curso cubriremos solamente las fallas trifsicas yaque generalmente son mayores en magnitud.

Las fallas monofsicas se mencionan en el curso depuesta a tierra.


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COMPORTAMIENTO DE LA ONDA SINUSOIDALDURANTE LA FALLA.

Las corrientes de corto circuito estn formadas de doscomponentes:

Corriente alterna simtrica de mayor magnitud decorriente en la falla.

Corriente DC transitoria, con un valor inicial igual a lacomponente AC pero que decae rpidamente a cero.

)()( max

wtseno

Z

Vtip

tL

R

t Keti )(


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Si el corto circuito ocurre en el momento en que la onda devoltaje es cero el valor inicial DC es mximo, sin embargocuando la onda de voltaje es mxima en el momento queocurre el corto circuito, valor inicial DC es mnimo.


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ONDA TPICA DE CORTO CIRCUITO


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CC` Representa el valor DC

AA` Representa el valor pico mximoDD` Representa el valor efectivo

2

ACrms

II

22

2 DC

ACrmstotal I

II


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CORRIENTE DE FALLA SINDECAIMIENTO RED PRINCIPAL

(UTILITY)

CORRIENTE DE FALLA CON LIGERODECAIMIENTO CERCANO A LA

GENERACIN

DECAIMIENTO MODESTO DEUN MOTOR SINCRONICO

DECAIMIENTO PRONUNCIADODE LA CONTRIBUCIN DE UN

MOTOR DE INDUCCIN


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CORRIENTE DE FALLA COMBINADA CONLAS DISTINTAS CONTRIBUCIONES


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CALCULO DE CORTO CIRCUITOS TRIFSICOSLos tres mtodos mas usados para realizar clculos decorto circuitos son:

Mtodo hmico.Mtodo por Unidad.Mtodo por MVA.

El mtodo por MVA tiene la ventaja sobre los otros dos de

ser ms prctico y rpido para clculos a mano, pero nose dispone del valor X/R para determinar la asimetra de laonda sinusoidal, en todo caso se utiliza 1.6, u otrosvalores que dependeran del tipo de interruptor, comofactor de asimetra.


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EJEMPLO DE CLCULO DE CORTO CIRCUITO MTODOHMICO.

100 MVA

13.8/4.16 K V10 MVA5.1% X 0.89 % R

100 mts CABLE ARMADO3X1/0 15 Kv

M 1000 HPX =0.254.16 kV


BARRA A

BARRA B

SE REQUIERE CALCULAR ELCC EN BARRA B SIN Y CON LACONTRIBUCIN DEL MOTOR.


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Frmulas a Utilizar

sistema

undsistema

MVA

KVX

2

.sec

.

2.sec

2.sec )(%10

transf

und

transf

undactualtransf

KVA

KVX

MVA

KVXX

.

2

.sec

2

.sec )(%10

transf

und

transf

undactual

transf KVA

KVR

MVA

KVRR

22

totaltotaltotal XRZ


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Frmulas a Utilizar

)(3

.sec

...

total

undLsymrmssc

Z

VI

)min.(5.. alnoCorrienteI motorcontribasym

25.1

..

..

motorcontriasym

motorcontrsym

II

total

totalratio

R

XRX/


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Frmulas a Utilizar

AsymFactorII rmssymscrmsasymsc ....

contribmotorasymrmsasymscrmsasymsctotal III .......


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Una vez elaborado el diagrama unifilar y recopilada la datade los equipos, se comienza con el clculo para la obtencinde las impedancias y el CC en base al voltaje secundario.

173.0100

16.4 2

sistemaX

088.0

10

)16.4)(051.0( 2

dortransformaX

0154.010

)16.4)(0089.0( 2

.transfR


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mtjZcable /1304280/1.

043.0)10/100)(428(

013.0)10/100)(130(

6

0/1.

6

0/1.

cable

cable

R

X

.695)139)(5(

.139)16.4(3

1000

..

.

AmpsI

AmpskV

kVAI

motorcontribasym

motorn

.55625.1

695..

AmpsI motorcontribsyme


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M

BARRA A

BARRA B

0.173

0.088

0.0154

0.043

0.0130.2740.0584

0.1730.0880.013

0.01540.043

XR

F


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M

BARRA A

BARRA B

0.274

0.0584

DIAGRAMA EQUIVALENTE

F


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280.0)274.0()0584.0( 22

totalZ

.8578)280.0(3

4160.. Amps

VI symrmssc

SC en barra B sin contribucin del motor

SC en barra B con contribucin del motor

.91345568578... AmpsI totalsymrmssc


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69.40584.0

274.0

R

X

Basado en la relacin X/R buscamos en tabla el factor

asimtrico, el cual nos indica un valor de 1.232

.10568)232.1)(8578(sin... AmpsI contribasymrmssc

.1126369510568... AmpsI ribconconcontasymrmssc


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13.8/4.16 K V

10 MVA5.1% X 0.89 % R

M

BARRA A

BARRA B1000 HPX =0.174.16 kV


10568 A

695 A

FLUJO DE CORRIENTES

11263


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PAZOS A REALIZADOS PARA EL CLCULO DE CC.Preparar el diagrama unifilar.

Recopilar data y convertir a valores hmicos.Combinar impedancias (Reducir circuito)Calcular los valores de corto circuitos.


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EJEMPLO DE CLCULO DE CORTO CIRCUITO MTODOPOR UNIDAD.

100 MVA

13.8/4.16 K V10 MVA5.1% X 0.89 % R


M 1000 HPX =0.254.16 kV


BARRA A

BARRA B

SE REQUIERE CALCULAR ELCC EN BARRA B SIN Y CON LACONTRIBUCIN DEL MOTOR.


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Frmulas a Utilizar

base

actualpu

Cantidad

CantidadCantidad

base

basebase

kV

MVAI

3

1000

base

base

base kV

KVA

I 3

base

basebase

kVA

kVZ

)1000(2

base

basebase

MVA

kVZ

2

)100(

)(%.

transf

basetransfpu

kVA

kVAXX

transf

base

transfpu kVA

MVAX

X

10)(%

.

2.

base

basecablepu

kV

MVAXX


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Frmulas a Utilizar

)1000(2.

base

basecablepu

kV

kVAXX

motorcapacidad

motorpuactual

motorpukVA

kVAbaseXX

.

..

.

motorcapacidad

motorpuactual

motorpuMVA

MVAbaseXX

.

..

.

2

.

2

.. totalputotalputotalpu RXZ

totalpu

pu

pusc Z

V

I ..

basepuscrmssymsc III ...

sistemasc

baseUtilsistemapu

MVA

MVAX

.

)(.


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Frmulas a Utilizar

Para cambiar de base los valores en por unidad.

dadabase

nuevabase

nuevabase

dadabasedadapunuevapu

kVA

kVA

kV

kVXX

.

.

2

.

...


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Una vez elaborado el diagrama unifilar y recolectadala data, se procede a obtener los valores por unidad.

1.0100

10..sistemapuX

kVbase= 4.16MVAbase= 10

.138816.43

100010AmpsIbase

7306.110

16.4 2

baseZ

051.010000

)10)(10%(1.5.transfpuX

0089.010000

)10)(10%(89.0.transfpuR


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043.0)10/100)(428(

013.0)10/100)(130(

6

0/1.

6

0/1.

cable

cable

R

X

007512.016.4

10)013.0( 2.cablepuX

0248.016.4

10)043.0(2.cablepu

R

5.21

)10)(25.0(.motorpuX MVAHP 11000


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M

BARRA A

BARRA B

0.1

0.0075

0.0248

0.0089

0.0510.15850.0337

0.10.00750.051

0.02480.0089

XR

F

X pu=2.5


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M

BARRA A

BARRA B

0.0337

0.1585


F

X pu=2.5


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Luego se procede con el clculo de CC.

17.61620.01

.puscI

.8566)1388)(17.6(.sin... AmpsI motorcontrmssymsc

1620.01585.00337.0 22

.totalpuZ

703.40337.0

1585.0

R

X



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M

BARRA A

BARRA B

0.0337

0.1585


F

X pu=2.5

BARRA A

BARRA B

0.0337

0.1585

F

2.5


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BARRA A

BARRA B

0.0337

0.1585

F

2.5

BARRA A

BARRA B

0.0291

0.1495

F

Z=0.1523 79


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566.61523.0

1

..... motorcontconpusymesc

I

.9114)1388)(566.6(..... AmpsI motorcontriconrmssymsc


4.05.2

1... motorpusymscI

.555)1388)(4.0(.. AmpsI motorsymsc

.694)25.1)(555(.. AmpsI motorasymsc


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Basado en la relacin X/R= 4.703, buscamos en tabla elfactor asimtrico, el cual nos indica un valor de 1.232

.10553)232.1)(8566(sin... AmpsI contribasymrmssc

.11228)232.1)(9114(... AmpsI ribconconcontasymrmssc


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13.8/4.16 K V

10 MVA5.1% X 0.89 % R

M

BARRA A

BARRA B1000 HPX =0.174.16 kV


10553 A

694 A

FLUJO DE CORRIENTES

11228


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Recopilar data y convertir a valores en por unidad (pu).Combinar los valores por unidad (Reducir circuito)Calcular los valores de corto circuitos en por unidad.Calcular los valores de corto circuitos en valores reales.


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EJEMPLO DE CLCULO DE CORTO CIRCUITO MTODOMVA.

100 MVA

13.8/4.16 K V10 MVA5.1% X 0.89 % R

100 mts CABLE ARMADO

3X1/0 15 Kv

M 1000 HPX =0.254.16 kV

BARRA A

BARRA BSE REQUIERE CALCULAR ELCC EN BARRA B SIN Y CON LACONTRIBUCIN DEL MOTOR.


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Frmulas a Utilizar.Bsicamente este mtodo es una modificacin del mtodohmico, en el cual se trabajara con valores de MVA,transformando los valores de impedancia a su equivalenteen MVA, en vez de valores de impedancias.

2

/.Z

kVMVA cableslneascc

..

..

transfpu

ttransfcc

Z

MVAMVA

"

...

.

...

genermotord

generadormotor

genrmotoresccX

MVAMVA

kAkV

MVAIcc

3


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Una vez elaborado el diagrama unifilar y recolectadala data, se procede a obtener los valores de MVA.

MVAMVA utilitysistema 100)(

0517.0%1770.589.01.5 22

.transfZ

MVAMVA transfcc 42.1930517.0

10..


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043.0)10/100)(428(

013.0)10/100)(130(

6

0/1.

60/1.

cable

cable

R

X

0449.0013.0043.0 22cableZ

MVAMVA cablecc 425.3850449.0

16.4 2

.

MVAMVA motorcc 425.0

1.


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100

193.42

385.43

4

BARRA A

BARRA B

DIAGRAMA DE BLOQUES

SISTEMA

CABLE

TRANSF.

100

4

A

128.8

B

8.12842.19343.385

)42.193)(43.385(.// TransfCable


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DIAGRAMA DE BLOQUES

100

4

A

128.8B

29.568.128100

)8.128)(100(15.179//Sistema

4

56.29

B


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.81.716.43

29.56.sin... kAmpsI motorcontrmssymsc

60.29

B

29.60429.5618.64// motorParalelo

.36.816.43

29.60.sin... kAmpsI motorcontrmssymsc




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Como no se dispone de la relacin X/R para determinar elfactor asimtrico, se recomienda utilizar los siguientesvalores para calcular las corrientes asimtricas deinterrupcin en funcin al tipo de interruptor:

1.6 para interruptores en aceite por encima de 5 kVA.1.5 para interruptores hasta 5 kVA.1.25 para interruptores en aire.

O utilizar los siguientes valores:

1 Para interruptores de ocho ciclos o mas.1.1 Para interruptores de cinco ciclos.1.2 Para interruptores de tres ciclos.1.4 Para interruptores de dos ciclos


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COMPARACIN DE RESULTADOS DE LOS TRESMTODOS

836791149134SYMT. CONCONTRIB.MOTOR

781285668578SYMT. SINCONTRIB.MOTOR

MVAAMPS.

P.U.AMPS.

HMICOAMPS.

Isc B


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Recopilar data y convertir a valores en MVA.Combinar los MVA como si fuesen admitancias.Calcular los valores de corto circuitos.


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Como se puede notar en la tabla anterior mostrada, losdos primeros mtodos (hmico y p.u.) prcticamente nomuestran diferencias entre los resultados; presentndosediferencias en mayor grado, menor al 10%, entre elmtodo MVA y los dos primeros. Este error es bastanteaceptable para clculos de corto circuito en tensiones demedia tensin en adelante.

Como el mtodo de MVA no considera resistencias puras,

el error se incrementa cuando estas forman parte delcircuito, como es el caso de las resistencias de contactomuy comnmente utilizadas en circuitos de baja tensin.

Pero en la prctica este mtodo es bien venido.


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CC 500 MVA

10 MVA Z = 6 %

6.9 KV

CLCULO CC FASE A TIERRA MTODO MVA

6.9 KV

M

2.2

34.5 KV ESTRELLA

5 MVA / X = 0.2

M

5 MVA / X o = 0.2/2= 0.1

10 MVAZo = 6 %

DIAGRAMA PARA LAS SECUENCIASPOSITIVA Y NEGATIVA

DIAGRAMA PARA LA SECUENCIACERO



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500 MVA

541 MVA

166 MVA

25 MVA

166 MVA

50 MVA

DIAGRAMA DE BLOQUESSECUENCIAS

POSITIVA Y NEGATIVA

DIAGRAMA DE BLOQUESSECUENCIA CERO

34.5 / 2.2 = 541 MVA

10 / 0.06 = 166 MVA

5 / 0.2 = 25 MVA

5/0.1= 50 MVA



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101 MVA

25 MVA

166 MVA

50 MVA

DIAGRAMA DE BLOQUESSECUENCIAS

POSITIVA Y NEGATIVA

DIAGRAMA DE BLOQUESSECUENCIA CERO

MVAx1 = MVAx2 = 126 MVAx0 = 216




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126 MVA

126 MVA

216 MVA

126 MVA

126 MVA

216 MVA

126 MVA

126 MVA

216 MVA

Ifo

49 MVA 49 MVA 49 MVA


87/474

49 MVA 49 MVA 49 MVA

147 MVA

AkAkV

MVAIcc 123003.12

9.63

147



88/474

AkAkV

MVAIcc 123003.12

9.63

147

CORRIENTE MUY ELEVADA PARA FALLAS A TIERRA

EN UN MOTOR.LA NORMA RECOMIENDA COLOCAR RESISTENCIAENTRE NEUTRO Y TIERRA PARA REDUCIR LACORRIENTE ENTRE 200 A 1200 AMPERIOS

20200

36900

AR


89/474


VALOR PICOMAX.=1.73 *1.414=2.5

CICLO

CLCULO CORRIENTE DE INTERRUPCIN EN INTRR. MT.


90/474


tL

R

t Keti )(


91/474


Isym = 36 KA de Placa.Interruptor de tres ciclos.Tiempo de apertura mas ciclo del rel= 33 mseg.

kAItotal 44100

502136

2


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Isym = 36 kA de Placa.Interruptor de cinco ciclos.Tiempo de apertura mas ciclo del rel= 50 mseg.

kAItotal 40100

342136

2


93/474


6.9/4.16 K V750 kVA5 %

M

BARRA A

BARRA B500 HPX =0.174.16 kV

150 mtsLnea 4/0horizontal

Cable 3x1/04.16 kV/20mt

90 MVA

6.9/4.16 K V750 kVA5 %

M

BARRA A

500 HPX =0.174.16 kV

150 mtsLnea 4/0horizontal

Cable 3x1/04.16 kV20 mts.

200 MVA

M

Ejercicio 1 Ejercicio 2PROBLEMAS


94/474


En ambos ejercicio calcular las siguientes corrientes defallas trifsicas en la barra B :

Simtrica sin contribucin y con contribucin de losmotores.

Asimtrica sin contribucin y con contribucin de losmotores asumiendo una relacin X/R igual a 17.

Si colocamos interruptores de 6 ciclos con 3 kA deinterrupcin de placa en los secundarios de los

transformadores, Determinar si los mismos son capacesde aguantar la corriente de apertura.


95/474

TRANSFORMADOR DE CORRIENTE Y TENSIN



96/474


DEFINICIN

Son dispositivos para transformar con precisin la corrienteo voltaje de una magnitud a otra generalmente menor,

debido principalmente a las siguientes razones:

Reducir las magnitudes en forma precisa a valoresque sean ms fciles de manipular (5 Amps., 120 V).

Para aislar el equipo secundario de los valores

primarios que son peligrosos.Para dar a los usuarios mayor flexibilidad en lautilizacin del equipo en las aplicaciones de medicin yproteccin.



97/474


Para las aplicaciones de proteccin y medicin se debenespecificar algunos parmetros bsicos en los

transformadores como lo son:

Relacin de transformacin.Precisin.El burden (Carga).

Caractersticas generales.



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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE.Tipos de Transformador de Corriente (TC).

DOBLE ARROLLAMIENTO



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PARA CONEXIONADO EN BARRAS



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TIPO VENTANA



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DIAGRAMA DE POLARIDAD

Polaridad.



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Polaridad y Conexionado.

CONEXIONADO ESTRELLA



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CONEXIONADO ESTRELLA ABIERTO



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CONEXIONADO PROTECCIN DIFERENCIAL DE BARRAS



105/474


Relacin de Transformacin IEEE STD. C57.13.1993.



106/474


Relacin de Transformacin IEEE STD. C57.13.1993.



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Precisin.

El funcionamiento de los reles de proteccin no solamentedepende de la precisin de los TC a carga normal, si notambin en momentos de falla. La precisin puedevisualizarse como cuan parecida es la onda sinusoidal delsecundario con la onda del primario.

La onda y la diferencia de fase, entre el primario ysecundario, son componentes considerados en laclasificacin de la precisin.



108/474


La precisin del TC a altas corrientes depende del rea delncleo hierro y del nmero de vueltas en el secundario.Entre mayor es el rea del ncleo, mayor ser el flujomagntico antes de llegar al punto de saturacin.

El rpido decrecimiento de la precisin de un TC semanifiesta cuando se llega a la saturacin mismo.

A mayor nmero de vueltas en el secundario, se dispone

de mayor flujo para manejar la corriente secundariarequerida en el rele. Este factor influye o ayuda asuministrar la corriente al burden o carga sin prdida deprecisin.



109/474


IEEE Std C57.13- 1993 designa la precisin de los TC`s enel uso de rels con las letras C y T y un nmero declasificacin. La letra C significa que el porcentaje de errorde correccin de relacin puede ser calculado con

precisin, y la letra T (Test) significa que esta se determinapor medio de pruebas.

El nmero o voltaje terminal que conecta al rele o carga, esel voltaje que puede entregar el TC a dicha carga a 20veces la corriente normal (5 A), sin exceder el 10% de errorde relacin.



110/474


Por ejemplo para un transformador con precisin C400que alimenta a un rele, significa que la impedancia oburden en el secundario a 20 veces la corriente nominal(20 x 5 A = 100 A) se calcula como:

burden

burden

Z

ZV

Los voltajes estndar en el secundario son: 10,20,50,100,200, 400 y 800 Voltios.



111/474


EJEMPLO CLCULO DE PRECISIN PARA RELES.Calcular el burden o carga y el error para un TC de400/5, que alimenta las cargas indicadas abajo a travsde un cable No. 10 AWG de cobre de 15 mts. de

longitud.El error se calcular utilizando la curva de excitacinmostrada mas adelante y con 20 veces la corrientenominal (20*5Amps). La carga conectada es lasiguiente:

Medidor de Energa: R= 0.013 / L= 0.044 mHVatmetro: R= 0.023 / L = 0.260 mHAmpermetro: R= 0.055 / L = 0.270 mH.Cable No. 10 AWG = 3.277 /km.CT 400/5 = 0.206



112/474


Solucin.

049.01000

1527.3cableR

346.0206.0049.0055.0023.0013.0totalR

WIRP tactiva 3460)520)(346.0( 22

219.01000

)270.0266.0044.0()60)(1416.3)(2(2 tt fLX

VARIXQ treactiva 2190)520)(219.0( 22



113/474


VAVA 409521903460 22

4095.0)520(

409522

I

VAZt

VIZV tentacina 95.40)4095.0)(520(lim

.12.0 AmpsIexcitacin

Si vamos a la curva de excitacin del transformador400/5, mostrada en la pgina siguiente, con un voltajede 40.95 V obtenemos la corriente de excitacin de0.12 Amperios.

%12.0100)520(

12.0%error

Para esta aplicacin el TC est bastante adecuado,muy por debajo del 10% de error mximo permitido.



114/474


400/5



115/474


En cuanto a los TC para medicin podemos manejar laprecisin como se indicada en la tabla siguiente:

MAX.MAX. MIN.MIN.

0.6 1.0

0.6 - 1.0

0.6 - 1.0

0.994 1.006

0.988 1.012

0.976 1.024

0.997 1.003

0.994 1.006

1.012 1.012

0.3

0.6

1.2

LMITES DELFACTOR DEPOTENCIA

(ATRASADO) DE LACARGA MEDIDA

10%CORRIENTE

NOMINAL

100%CORRIENTE

NOMINALCLASE DEPRECISIN

NOTA: Esta condicin ser dentro del rango FP entre 0.6 y 1 enatraso, y a 100% de la corriente primaria nominal.



116/474


Ejemplo:

0.3 B- 0.1 Significa precisin 0.3 burden 0.1

0.2 B- 0.2 Significa precisin 0.2 burden 0.2

0.6 B- 0.5 Significa presicin 0.6 burden 0.5



117/474

S O O CO S

Burden o Carga.

Como lo indicado en el ejercicio anterior el Burden, entransformadores de corriente, es la carga conectada en losterminales del secundario expresada como VA con su factor

de potencia, y/o en valores hmicos representando laimpedancia.

El burden afecta la precisin del dispositivo, por eso es muyimportante considerar el cable conectado a los reles y equipo

de medicin, sobre todo si la separacin entre TC einstrumentos no estn en el mismo rea. Incrementando larelacin y/o el burden del TC se evita alcanzar el punto desaturacin.



118/474

b: Solamente para 60hz.

BURDEN ESTANDAR PARA TCS DE 5A



119/474

Caractersticas Generales.Voltaje nominal y BIL*.

Capacidad trmica y mecnica de corto circuito.

*Basic impulse level.

*



120/474

Precauciones de Seguridad.

Es muy importante considerar que un TC nunca debequedar con el circuito abierto cuando circula corriente porel primario. Esto ocasiona que se presente voltajes

peligrosos tanto para el equipo como para el operador. Siun CT a pasado por esta situacin debe ser verificadopor posibles daos antes de colocarlo nuevamente enservicio.Lo anteriormente expuesto se debe a que la corriente del

primario se transforma totalmente en corriente demagnetizacin alcanzando el punto de saturacin y conesto apareciendo cientos de voltios en el secundario.



121/474

PROBLEMA

Calcular la precisin con los datos del ejemplo, pero conTC de relacin de 100/5.



122/474

Solucin.

049.01000

1527.3cableR

205.0065.0049.0055.0023.0013.0totalR

WIRP tactiva 2050)520)(205.0( 22

219.01000

)270.0266.0044.0(

)60)(1416.3)(2(2 tt fLX

VARIXQ treactiva 2190)520)(219.0( 22



123/474

VAVA 300021902050 22

3.0)520(

300022

I

VAZt

VIZV tentacina 30)3.0)(520(lim

Si vamos a la curva de excitacin del transformador100/5, mostrada en la pgina siguiente, con un voltajede 30 V vemos que nos salimos del punto de saturacinindicando 20 amperios de excitacin.

.20AmpsIexcitacin%20100

)520(20%error

Para esta aplicacin el TC presenta un error, muy porencima del 10% de error mximo permitido.



124/474

100/5



125/474

TRANSFORMADORES DE VOLTAJE.Relacin de Transformacin.

RELACIN DE TRANSFORMACIN CON 100% Vn. PRIMARIO



126/474

RELACIN DE TRANSFORMACIN Vn PRIMARIO



127/474

PrecisinPara los transformadores de voltaje o potencial TP, sedebe asignar o indicar una especificacin denominadaClase de Precisin para cada uno de los burden

estndar para el cual est designado.Las clases de precisin, al igual que los TC medicin,son 0.3, 0.6, y 1.2 que representan el porcentaje dedesviacin mximo y mnimo con respecto al voltajenominal. Por ejemplo podemos mencionar la precisin

asocindola al burden como 0.3 W, 0.3 X, 0.6 Y y 1.2Z,en donde la letra representa al burden.



128/474

1.0033 - 0.997

1.006 - 0.994

1.012 - 0.988

0.3

0.6

1.2

LMITES FACTOR DECORRECCINCLASE DE PRECISIN

NOTA: Esta condicin ser dentro del rango FP entre 0.6 y 1 enatraso, desde el burden cero hasta el especificado y el voltaje de

alimentacin entre el 90% al 110% del nominal.

CLASE DE PRECISIN PARATRANSFORMADORES TP USADOS EN MEDICIN



129/474

Burden

BURDEN ESTANDAR PARA TPS



130/474

Caractersticas Generales.Al igual que los CT, para los TP tambin hayque considerar la mxima tensin de trabajo y elBIL que debe soportar.

En cuanto a la capacidad trmica se refiere almismo burden dada en VA o en ohmios para laimpedancia.


131/474

FUSIBLES

FUSIBLES


132/474

DEFINICINHay tres tipos fundamentales de dispositivos diseadospara detectar sobre corrientes debido a corto circuitosocurridos en cualquier parte del sistema elctrico:

Fusible.Disparadores de accin directa (Interruptores).Reles (Ya mencionados).

El fusible es un dispositivo de proteccin de sobrecorriente con una parte que se funde y abre el circuitocuando es calentada por el paso de una corriente.Los mismos pueden ser usados en alto y bajo voltaje.

FUSIBLES


133/474

Tienen la desventaja de no ser ajustables, su operacin esrelativamente lenta, para los no limitadores, son menosexactos que los reles y en sistemas trifsicos al fundirseabre solamente una fase, generando problemas serios enaquellos equipos afectados por las corrientes desecuencia negativas. Su ventaja comparado con los otrosmedios de proteccin es su menor costo.

Se pueden clasificar bsicamente como para baja y alta

tensin que a su vez lo clasificaramos como los nolimitadores de corriente o fusibles estndar y limitadoresde corriente.

FUSIBLES


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Prcticamente todos los fusibles se funden, con altos valoresde corrientes de fallas, en un tiempo aproximado al cicloen sistemas de 60 Hz, sin embargo, el arco formado es

conductor y permite que la corriente alcance su mximo valorde cresta antes de extinguirse.

Los fusibles que tienen un componente especial que extingueal arco antes de que esto ocurra, son los llamados como

limitadores de corriente.

PROTECCIN TERMOMAGNTICA


135/474

FUSIBLES PARA BAJA TENSIN

FUSIBLES


136/474

FUSIBLES DE BAJA TENSIN.

FUSIBLES DE BAJO VOLTAJE BAJO NORMA UL Y CSA

FUSIBLES


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No Limitadores de Corriente (Estndar)

Fusible tipo H.Son usados en 250 V o 600 V con capacidad para 600 Ao menos, y son hechos segn el NEC (National Electrical

Code).Usados en CD y AC para proteccin temporizada (Timedelay).Disponible con operacin de sobre corriente de 135% a200% de su corriente nominal y mnimo tiempo de

operacin de 10 a cinco veces su corriente continua.Su capacidad de interrupcin es de 10 kA rms.

FUSIBLES


138/474

FUSIBLE TIPO H

FUSIBLES


139/474

FUSIBLE TIPO H CAPACIDAD Y DIMENSIONES

FUSIBLES


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Fusible de rosca (Plug Fuse)

Cubre los de base Edison y el tipo S, los cuales sedisponen con caractersticas temporizado o no. El tipo

con base S tiene como opcin transformarse en limitadoragregando un dispositivo en su base.Su capacidad tpica de interrupcin es de 10 kA rms.



141/474

FUSIBLES DE ROSCA (PLUG FUSE)

FUSIBLES


142/474

Limitadores de Corriente.

Como lo define el CEN, es un dispositivo que cuando

interrumpe la corriente en su rea limitadora, reduce elflujo de corriente en el punto de falla a una magnitudsustancialmente menor que la magnitud obtenida en elmismo punto de falla, si el fusible fuese reemplazado porun conductor slido de la misma impedancia del fusible.

FUSIBLES


143/474

LIMITACIN DE CORRIENTE TPICA CON FUSIBLES LIMITADORES

FUSIBLES


144/474

COMPARACIN DEL CALOR ENERGTICO DESARROLLADOCON Y SIN FUSIBLE . )(

2tI

FUSIBLES


145/474

GRFICA PARA ESTIMAR LA CORRIENTE DE PASO

FUSIBLES


146/474

CIRCUITO PROTEGIDOCON FUSUBLE LIMITADOR

601 A CLASE L

CIRCUITO PROTEGIDOCON INTERRUPTOR NO LIMITADOR

TAMAO 1600 SET 640 ATIEMPO DISPARO CORTO 12 CICLOS

FORMACIN DE ARCO

FUSIBLES


147/474

EJEMPLO DE APLICACIN FUSIBLE LIMITADOR

FUSIBLES


148/474

CORRIENTE PICO DE PASO PARA 60 HZ EN FUNCIN DE Icc RMSSIMTRICA CON FP 15%

rea nolimitadora

FUSIBLES


149/474

EJEMPLO DE APLICACIN FUSIBLE LIMITADOR

Valores en el componente sin fusible.Ipico = 100000 AIrms disponible = 40000 A

Valores en el componente con fusible.Ipico = 38500 AIrms disponible = 16500 A

FUSIBLES


150/474

Selectividad Limitadores de Corriente.

FUSIBLES


151/474

CURVAS TPICA DE COORDINACION

FUSIBLES


152/474

SELECCIN SEGN CARACTERSTICAS DEL FABRICANTE

FUSIBLES


153/474

EJEMPLO DE SELECCIN SEGN TABLA DEL FABRICANTE

FUSIBLES


154/474

Valores en el componente sin fusible.Ipico = ?Irms disponible = 50000 A

Valores en el componente con fusible.Ipico = ?Irms disponible = ?

Problema

2000 A

50000 A

Utilizando la grfica corriente pico de paso anterior,determinar la corriente pico sin fusible y las corrientespico y disponible rms simtrica con fusible.

FUSIBLES


155/474

FUSIBLES DE ALTA TENSIN.

Segn la IEEE Std C37.40- 1993, se define como fusibles dealto voltaje todo aquel fusible por encima de los 1000voltios, cubriendose con esto los de media tensin y altatensin propiamente dicho.

El mismo estndar clasifica los fusibles de esta tensin enfusibles de potencia y fusibles de distribucin, y en funcin

de su ubicacin son clasificados como uso exterior y parauso interior o uso en contenedores.

FUSIBLES


156/474

Fusibles de Potencia.De acuerdo al ANSI C37.42- 1996, los fusibles de potencia seidentifican por las siguientes caractersticas:

Su alta resistencia a los esfuerzos de tensin (BIL).

Aplicacin en estaciones y sub estaciones.Disponibilidad en rangos nominales de alta corrientes.Disponibilidad en rangos altos de corriente de corte.Disponibilidad de una gran variedad para aplicacin

exterior e interior.

Los mismos se clasifican segn su caractersticas elctricasy su capacidad, como fusibles tipo E y tipo R.

FUSIBLES


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Fusibles de Distribucin (Drop out)

Segn la IEEE Std C37.40- 1993, un fusible tipo drop out,se define por la siguientes caractersticas:

La resistencia a los esfuerzos de tensin (BIL) son paratensiones de distribucin.

Primariamente utilizados para alimentadores de lneasareas a nivel de distribucin.

Normalmente construidos para ser instalados en

posteadura.Se usan tambin como proteccin para transformadoresde distribucin.

Son renovables al reemplazarle el filamento.

FUSIBLES


158/474

FUSIBLE DROP-OUT / 100 A

FUSIBLES


159/474

CAPACIDAD MXIMA DE INTERRUPCIN PARAFUSIBLES DROP OUT



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FUSIBLES DE ALTA TENSIN

FUSIBLES


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Fusibles de Potencia Limitadores.

El principio de funcionamiento es igual a los limitadores enbaja tensin. Su principal aplicacin son para protegertransformadores de potencial y potencia, transformadores

auxiliares, bancos de condensadores, y en otrasaplicaciones donde se requiera altas corrientes deinterrupcin y limitar los altos niveles de corto circuito.

En el presente, la aplicacin de estos tipos de fusibles segn

acorde al nivel de voltaje est entre 2.4 kV y 34.5 kV.

FUSIBLES


162/474

MXIMA CORRIENTE NOMINAL Y CAPACIDAD DE INTERRUPCINPARA FUSIBLES DE POTENCIA LIMITADORES.

FUSIBLES


163/474

SELECTIVIDAD ENTRE DOS FUSIBLES LIMITADORES PARAALTA TENSIN

FUSIBLES


164/474

CURVAS PARA FUSIBLESLIMITADORES

DE ALTA TENSIN(MINIMUM MELTING TIME)


165/474

PROTECCIN TERMOMAGNTICABAJO VOLTAJE



166/474

DEFINICIN

Proteccin contenida en dispositivos, llamados en algunoscasos interruptores automticos, que se emplean para la

proteccin de los circuitos elctricos, contra sobre cargas ycorto circuitos, en sustitucin de los fusibles, por la ventajade que no hay que reponerlos, cuando se desconectandebido a una de estas fallas.



167/474

CEN lo define como un dispositivo diseado para abrir ycerrar un circuito manualmente y para abrir un circuito

automticamente sobre una predeterminada seleccin desobre corriente, sobre carga o corto circuito, sin daossobre el dispositivo cuando es apropiadamenteseleccionado.



168/474

Segn el nmero de polos se clasifican en:

UnipolaresBipolares.

TripolaresTetrapolares (utilizados en redes 3 con neutro.

En la siguiente figura se muestra la partecorrespondiente de una fase donde se puede notar la

parte trmica y la parte magntica.



169/474

INTERRUPTOR TERMOMAGNTICO



170/474

PROTECCIN TERMO MAGNETICAMOLDED CASE CIRCUIT BREKER (MCCB)



171/474

Estos dispositivos constan de un desconectador magntico,formado por una bobina que acta sobre un contacto mvil,que cuando la intensidad que la atraviesa alcanza el valorde corriente seleccionado el mismo abre a los contactos.ste elemento protege la instalacin contra los corto

circuitos por ser muy rpido su funcionamiento.

Tambin poseen un desconectador trmico, formado poruna lmina bimetlica, que se dobla al ser calentada(It) por un exceso de corriente, y que aunque mas

lentamente que el desconectador magntico, acta tambinabriendo los contactos. Esta proteccin contra sobre cargasy su velocidad de desconexin es inversamenteproporcional a la magnitud de corriente de sobre carga.



172/474

CLASIFICACIN

Segn la IEEE Std C37.100- 1992 los interruptores debajo voltaje son clasificados de la manera siguiente:

Interruptores en caja moldeada (Molded- case

circuit breakers- MCCBs), ensamblados como unaunidad integral en una caja de material aislante.Interruptores bajo voltaje de gran potencia (Low-

voltage power circuit breakers- LVPCBs), usadosen circuitos con tensin de hasta 1000 V y en

algunos casos hasta 3000 V.



173/474

INTERRUPTORES EN CAJA MOLDEADAMCCBs



174/474

INTERRUPTORES EN CAJA MOLDEADAMCCBs



175/474

INTERRUPTORES DE BAJO VOLTAJE DE GRAN POTENCIALVPCBs



176/474

INTERRUPTORES DE BAJO VOLTAJE DE GRAN POTENCIALVPCBs



177/474

INTERRUPTOR BIPOLAR Y MONOPOLAR



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Estos interruptores automticos termomagnticos, seemplean mucho domsticamente y para instalaciones debaja tensin en general y suelen fabricarse paraintensidades entre 5 y 125 amperios, de forma modular ycalibracin fija, sin posibilidad de regulacin.

Para intensidades mayores, incluyendo los interruptoresde potencia, se aplican en instalaciones industriales hasta1.000 A o mas, y suelen estar provistos de una regulacinexterna, para los elementos trmicos y magnticos paraproteccin contra sobre carga y cortocircuitosrespectivamente.



179/474

La UL 489 1991 menciona el INSULATED CASECIRCUIT BREAKER (ICCB) , el cual es un interruptor

en caja aislada que sirve de soporte y dispone de unmecanismo de energa para el cierre y apertura manual.

Estos ICCB estn disponibles en tamaos desde 800 A



180/474

INTERRUPTOR ICCB



181/474

CAPACIDAD TPICA DEINTERRUPCIN DE MCCBs

PARAUSO COMERCIAL E

MINDUSTRIAL



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CURVAS DE AJUSTE TPICAS PARA EL MCCBs



183/474

UNIDAD DE AJUSTE CON TEMPORIZADO, CORTO TIEMPO,INSTANTANEO Y FALLAS A TIERRA


INTERRUPTORES LIMITADORES


184/474

INTERRUPTORES LIMITADORES

En interruptores MCCBs tambin existen los limitadores decorriente, los cuales estn formados por interruptoreslimitadores propiamente dicho y el combinado con fusibleslimitadores.

El interruptor que no emplea fusibles limitadores paracumplir con los requisitos de limitacin, debe operar en un

tiempo extremadamente corto (1/2 ciclo) ante una alta

corriente de falla en el sistema.Una repuesta lenta reduce la limitacin de corriente y proveepoca o si acaso ninguna proteccin para los dispositivosconectados



185/474

Para alcanzar la separacin de los contactos a altavelocidad, los brazos de estos descansan uno sobre el otropermitiendo que la corriente fluya en direcciones opuestas.Esto crea una fuerte repulsin magntica entre ambos

contactos como se muestra en la siguiente figura.Esta separacin de alta velocidad se complementa con laextincin del arco, logrndose mediante la colocacin deuna cmara de extincin lo cual induce el alargamiento del

arco.

PROTECCION TERMOMAGNTICA


186/474

POSICIN DE LOS CONTACTOS



187/474

En estos diseos, segn las figuras siguientes, se utilizandos juegos de contactos, uno para operacin normal para eldespeje de sobre cargas y corto circuitos moderados, y unsegundo para la funcin limitadora de corriente para fallasde alto nivel.

Existe un modelo con un solo juego de contactos paraambas operaciones, de sobre cargas y corto circuitosmoderados, y las aperturas de corrientes de fallas muy altas.Esto se complementa con un bloque de lminas de acero enforma de U, que al circular la corriente de corto circuito secrea un campo magntico que magnifica la fuerza derepulsin entre ambos contactos.



188/474

CAMARA PARA EXTINCIONARCO

MECANISMO DE DISPAROCONVENCIONAL

CONTACTOS LIMITADORESDE CORRIENTE CONTACTOS PRINCIPALES



189/474

MECANISNO DE DISPAROCONVENCIONAL SELENOIDE LIMITADOR

RESISTENCIA

FLUJO AMP. NORMALFLUJO AMP. LIMITADOR



190/474



191/474

En el interruptor donde se integran los fusibles limitadores,son estos ltimos los que limitan la corriente siendo sucomportamiento igual a lo tratado en fusibles limitadores.



192/474

ONDA DE LA LIMITACIN DE CORRIENTE


INTERRUPTORES DIFERENCIAL


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INTERRUPTOR DIFERENCIAL PARA REDES DE GRAN POTENCIA

INTERRUPTORES DIFERENCIAL



194/474

FUNCIONAMIENTO INTERRUPTOR DIFERENCIAL


195/474

RELES O RELEVADORES DESOBRE CORRIENTE

RELES O RELEVADORES DE CORRIENTE

DEFINICIN


196/474

DEFINICIN

Para la proteccin de las instalaciones elctricas industriales,uno de los reles ms usados es el llamado de sobre corriente,es uno de los ms simples de los utilizados en la proteccinde sistemas elctricos, como su nombre lo indica, est

diseado para operar cuando circule una corriente mayor deun valor previamente establecido.

Este rele tiene dos formas bsicas de diseo:

Tipo InstantneoTipo con Retardo



197/474

Tipo Instantneo (50).

Se disea para operar sin retraso intencional, cuando el valorde la corriente excede al valor ajustado en el rele. El rango de

tiempo en la operacin de este rele vara entre 0.0083segundos (1/2 ciclo) y 0.033 segundos (2 ciclos).

Su caracterstica se expresa mediante una curva tiempocorriente.



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I AMPERIOSCORRIENTE DE AJUSTE

DIAGRAMA BSICO TIEMPO-CORRIENTEINSTANTANEO

0.033


Tipo con Retardo (51)


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Tipo con Retardo (51)

Tienen una caracterstica de operacin tal que, el tiempo deoperacin vara en forma inversa con la corriente quecircula por el rele. Esta caracterstica se identifica en formaconvencional con una de las cuatro siguientes, que en el

caso de los reles estticos, slo sirven como referencia, yaque su ajuste es muy variado.

Estas caractersticas son:

De tiempo definido.De tiempo inverso.De tiempo muy inverso.De tiempo extremadamente inverso.



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DIAGRAMA BSICO TIEMPO-CORRIENTEDEFINIDO

AMPERIOS IAJUSTE DE CORRIENTE


AJUSTE DE TIEMPO (L .T./ T. I.)


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TIEMPO INVERSO

TIEMPO MUY INVERSO

TIEMPO EXTREMADAMENTE

INVERSO

COMPARACIN DE LAS CURVASTIEMPO CORRIENTE DE LOS

RELES DE SOBRE CORRIENTE

AJUSTE DE TIEMPO (S .T./ T. I.)


* TAP VALOR DE CORRIENTE


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CURVAS TIEMPO CORRIENTERELES DE SOBRE CORRIENTE

MUY INVERSO

TIEMPO DE AJUSTE EN SEG.

(TIME DIAL SETTING)

*

TAP VALOR DE CORRIENTE

(PICK UP)



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RANGOS TPICOS DE TAP (CORRIENTE)PARA RELES DE SOBRE CORRIENTE



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EJEMPLO PARA DETERMINAR EL TIEMPO DEOPERACIN DEL RELE.

Utilizando la siguiente figura, mostrando un transf. sobrecargado, determinar a) El TAP en base a la corriente nominaldel transf. b) Tiempo de operacin del rele si la carga deltransf. es 120 A y el ajuste de tiempo del rele est en 3 y c)Corriente que circula por el rele en condiciones de sobrecarga.


EJEMPLO


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6.9/2.3 K V

750 kVA5 %

M

51

120 A

OTRASCARGAS

EJEMPLO

100/5


kVA750a)


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AkV

kVAInt 76.62

9.63

750a)

20

5

100ctR

314.320

76.62A

ATAP

Segn la tabla de rangos seleccionamos el rango 3como TAP, por ser el ms prximo.


b) 120


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b)

AI ct 620

120.sec

23

6.sec.

TAP

II cttapmult

Si vamos a la curva con ajuste de tiempo 3 y un pick upde 2 nos da un tiempo de operacin de 4 segundos.

c) La corriente que circula por el rele en condiciones desobre carga es 6 A.


SOLUCION DEL EJEMPLO


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6.9/2.3 K V

750 kVA5 %

M

51

120 A

OTRASCARGAS

100/5



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EJERCICIO PARA DETERMINAR EL TIEMPO DEOPERACIN DEL RELE.

Utilizando la siguiente figura, mostrando un transf. sobrecargado, determinar a) El TAP en base a la corriente nominal

del transf. b) Tiempo de operacin del rele si la carga deltransf. es 240 A y el ajuste de tiempo del rele est en 1 y c)Corriente que circula por el rele en condiciones de sobrecarga.


EJERCICIO


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6.9/2.3 K V

750 kVA5 %

M

51

240 A

OTRASCARGAS

150/5


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RELES DIRECCIONALES DESOBRE CORRIENTE

RELES DIRECCIONALES DE SOBRECORRIENTE


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DEFINICIN

Los reles direccionales son dispositivos que operansolamente cuando las corrientes de falla fluye en un sentido.Estn formadas o representan dos bobinas independientes

entre s, que son alimentadas una por la fuente polarizante yla otra por la fuente de operacin.

El rele opera cuando los flujos o los efectos producidos porlas cantidades actuantes, tienen una magnitud mnima y unngulo de fase dentro de ciertos lmites.


2Rele Direccional Corriente- Corriente (67).


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BOBINA DEOPERACIN

BOBINA DEPOLARIZACIN

RESISTENCIA

I2 I1

IR

IB

IB

I1=IP

IR

I2=I0

1

REPRESENTACIN DE LASOBINAS DE OPERACIN Y POLARIZANTE

ZONAPAR +

ZONAPAR +

VECTORES

( )


Para el rele corriente corriente la expresin del par


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211

p02

electromagntico se expresa a continuacin:

( es negativo)

0

0

90

90



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002 senIIKT p

02 pIIKT

Esta es la ecuacin que se utiliza para expresar el parde un rele direccional corriente- corriente.

El par ser mximo cuando = , lo cual ocurrecuando = 90.



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El rele opera solamente cuando la corriente en la bobinade operacin (I2) adelanta la corriente de la bobina depolarizacin (IB).

Para modificar el ngulo (ngulo de par mximo) se

utiliza una resistencia o capacitancia en paralelo con labobina de polarizacin.


IRele Direccional Corriente Voltaje (67).


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BOBINA DEOPERACIN

BOBINA DEPOLARIZACIN

I0 IB

IB

VP

I0

1

REPRESENTACIN DE LASOBINAS DE OPERACIN Y POLARIZANTE

ZONAPAR +

ZONAPAR +

VECTORES

Vp

V



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En este caso la ecuacin del par electromagntico seconvierte en:

01 CosVIKT p

Para variar el ngulo del par mximo se coloca unaimpedancia en serie con la bobina de polarizacin.


Caracterstica de Operacin del Rel Direccional.


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Caracterstica de Operacin del Rel Direccional.

La ecuacin del par neto de un rele direccional es:

201

201

)(

)(

KCosVIKT

KCosIIKT

p

p CORRIENTE/CORRIENTE

CORRIENTE/VOLTAJE

Donde K2 representa el par de oposicin producido porresorte espiral en los electromecnicos o a travs de unmedio comparador o microprocesador quienes determinanlos valores de arranque y direccin del rele en losdigitales.



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Si decimos que el punto crtico es cuando T = 0 entonces:

0)(201

KCosVIKT p

teConsKKCosVI p tan)(

1

20

Para que el rele opere el par actuante debe ser mayor queel par de oposicin para los reles electromecnicos; y enlos digitales el circuito comparador o microprocesadordeterminara el arranque en funcin a los ajustes.


)( KCosVIKT


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IB

VP

I0

1

DIAGRAMA DE VECTORES RESUMIDO

ZONADEOPERACION

Imnima

201

)( KCosVIKTp


Conexionado.


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Ia

IbIc

Vbc

Vab

Vca

CONEXIONADO EN CUADRATURA

CONEXIONADOFase a: Ia con VbcFase b: Ib con VcaFase c: Ic con Vab

NOTA: POR SER PROTECCIN DE CCEL CONEXIONADO DE LAS BOBINASSER ENTRE DISTINTAS FASES



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CONEXIONADO DE DOS RELES DIRECCIONALES


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RELE DE POTENCIA INVERSA

DEFINICIN

RELE DE POTENCIA INVERSA


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Los reles de potencia inversa o reles direccionales de potencia(32), son realmente medidores de potencia (W = V x I x Cos. ),de manera que ellos operan mejor cuando el factor de potenciaes alto.

Se utilizan para determinar el sentido de flujo de potencia.Cuando sta fluye en una direccin produce par positivomientras que si lo hace en la direccin opuesta produce un parnegativo.

Estos reles no se utilizan para proteger sistemas contra cortocircuitos, por lo que el voltaje de polarizacin puede ser tomadode cualquier fase.


Conexionado Tpico.


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Ia

IbIc

Vbn

Van

Vca

CONEXIONADO A CERO GRADO

CONEXIONADOFase a: Ia con VanFase b: Ib con VbnFase c: Ic con Vcn


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PROTECCIN DE TRANSFORMADORES

PROTECCION DE TRANSFORMADORES

La proteccin de transformadores de potencia es un tema


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relativamente variado, debido a que el grado de proteccindepende principalmente de la potencia y el nivel detensin. De esa manera, se encuentran diferenciasimportantes en los dispositivos de proteccin usados. Porotra parte, se puede considerar que los transformadores,por ser mquinas estticas, tienen un nmero de fallasrelativamente baja con relacin a otros elementos ocomponentes del sistema.

Es frecuente tambin que la magnitud de las corrientes defalla interna sea baja en comparacin con la corrientenominal, por lo que la proteccin requiere de una altasensibilidad y rapidez de operacin.


Las condiciones anormales que se pueden presentar en un


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transformador se agrupan como:Fallas incipientes.Fallas elctricas.

Las fallas incipientes en su etapa inicial no son serias, perode no corregirse pueden dar a lugar a fallas mayores.Dentro de estas podemos mencionar:

Fallas de aislamiento en los tornillos de sujecin

del ncleo.Puntos calientes por conexiones de alta resistenciao defectos en la bobinas.

Arcos elctricos entre los devanados y el ncleo o



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al tanque, debido a sobre tensiones por descargasatmosfricas.Fallas en sistema de enfriamiento, como puede ser

el bajo nivel de aceite, o bien, obstruccin del flujo.


Las fallas elctricas son las ms graves y notorias en


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cuanto sea el transformador de mayor capacidad. Dentrostas categoras podemos mencionar:

Fallas de aislamiento por sobre tensiones deorigen atmosfricos o por maniobra de interruptores.

Fallas en los contactos de los cambiadores detomas, que producen puntos calientes o cortocircuitos entre derivaciones.

Fallas de aislamiento debido al envejecimientonatural o prematuro.

Presencia de humedad o contaminacin del aceitede aislamiento e enfriamiento.Corto circuitos exteriores que pueden producir

movimiento en las bobinas y/o el ncleo.


La mayora de estas fallas surgen de las condiciones


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abusivas causadas por:

Sobre carga continua.Corto circuitos en el sistema.Fallas a tierra.Sobre voltaje.Excesivo armnicos en el sistema.

Estas originan incremento de temperatura en los distintoscomponentes del transformador. Si la temperatura final estpor encima del lmite del diseo, se presenta daos en elaislamiento disminuyendo la vida del transformador.



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TRANSFORMADORES DE BT Y DISTRIBUCIN MT.

Proteccin de Sobre corriente.

Para seleccionar la proteccin de sobre corriente en estetipo de transformadores, recomiendo el uso del captulo450.3 del Cdigo Elctrico Nacional.

En el mismo se recomienda el uso de las tablas 450.3 A

y 450.3 B para transformadores de potencia, y la tabla450.3 C para los transformadores de voltaje (PT).



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Notes:1. Where the required fuse rating or circuit breaker settingdoes not correspond to a standard rating or setting, a higherrating or setting that does not exceed the next higherstandard rating or setting shall be permitted.

2. Where secondary overcurrent protection is required, thesecondary overcurrent device shall be permitted to consist ofnot more than six circuit breakers or six sets of fuses groupedin one location. Where multiple overcurrent devices areutilized, the total of all the device ratings shall not exceed the

allowed value of a single overcurrent device. If both circuitbreakers and fuses are used as the overcurrent device, thetotal of the device ratings shall not exceed that allowed forfuses.



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3. A supervised location is a location where conditions ofmaintenance and supervision ensure that only qualifiedpersons monitor and service the transformer installation.4. Electronically actuated fuses that may be set to open at

a specific current shall be set in accordance with settingsfor circuit breakers.5. A transformer equipped with a coordinated thermaloverload protection by the manufacturer shall be permittedto have separate secondary protection omitted.



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Notes:


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1. Where 125 percent of this current does not correspondto a standard rating of a fuse or nonadjustable circuitbreaker, a higher rating that does not exceed the nexthigher standard rating shall be permitted.2. Where secondary overcurrent protection is required, the

secondary overcurrent device shall be permitted to consistof not more than six circuit breakers or six sets of fusesgrouped in one location. Where multiple overcurrentdevices are utilized, the total of all the device ratings shallnot exceed the allowed value of a single overcurrent

device. If both breakers and fuses are utilized as theovercurrent device, the total of the device ratings shall notexceed that allowed for fuses.


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Ejemplo1


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Ejemplo1

4.16 kV/480 V

120 kVA5 % 1Zona Supervisada

a) Si se usa fusible determinarel tamao.

b) Si en vez de ser fusible esun interruptor determinar eltamao.


Solucin Ejemplo 1

kVA120


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AkV

kVAI 29

16.4

120

Proteccin con fusibles:

Segn fila 3 de la tabla 450.3 A, se indica que parafusibles usar como mximo 250% de la corrientenominal (29 A x 2.5 = 72.5 A). Se pude seleccionar unfusible de 80 amperios.

Proteccin con interruptor:Entrando en la misma fila de dicha tabla, pero utilizandointerruptor, se muestra que el mximo ser 300% (29 Ax 3 = 87 A). Se puede usar un interruptor de 90 A.


Ejemplo 2


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4.16 kV/480 V225 kVA2.3 % 3

a) Determinar el tamao delfusible para proteger alprimario.b) Si se usa interruptor

termomagntico para elsecundario Qu tamao seseleccionara?c) Determinar la capacidad deinterrupcin simtrica quedebe tener el fusible en elprimario.


Solucin Ejemplo 2

kVA225


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AkV

kVAIp 3116.43

225

Como en el primario se utilizar fusible el mismo tendr unmximo del 300% de la corriente nominal segn tabla

450.3 A (31 A x 3 = 93 A). Para este caso se puedeseleccionar el de 90 A.

AkV

kVAIs 271

480.03

225

Por ser el secundario menor a 600V la proteccin coninterruptor o fusible ser del 125 % segn la mismatabla. (271 A x 1.25 = 339 A. Se puede seleccionar uno350 A )


Recordando las frmulas de CC por el mtodo de MVA

tenemos:


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..

..

transfpu

transfccZ

MVAMVA kA

kV

MVAIcc

3

tenemos:

MVAMVAcctransf 78.9023.0

225.0.

AkAIcc 1358358.116.43

78.9


Ejercicio 1

D t i l t i


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13.8 kV/4.16 kV1500 kVA5.5 % 3

Determinar el tamao mximode los fusibles del primario ysecundario del transformadormostrado en el dibujo.

Adicionalmente determinar lacorriente de interrupcinsimtrica que debe soportar elfusible primario


Ejercicio 2

D t i l t i d


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6.9 kV/ 480 V

500 kVA6 % 3

Determinar el tamao mximo delos fusibles del primario y los delsecundario del transformadormostrado en el dibujo.

Adicionalmente determinar lacorriente de interrupcin simtricaque deben soportar los fusible delsecundario, si la falla ocurredespus de los fusible del

secundario.


Dispositivos para Prevencin y Deteccin de Fallas


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Dispositivos para Prevencin y Deteccin de Fallas.

Existen dispositivos destinados a detectar condicionesinseguras antes de que se conviertan en crticas. Estosequipos, que son intrnsicos al transformador y usados

normalmente en transformadores de distribucin, son lossiguientes:

Indicador de nivel de aceite.Indicador de temperatura de aceite.

Indicador de nivel de aceite



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Indicador de nivel de aceite.

El indicador de nivel es utilizado normalmente como uncontrol visual, aunque este puede convertirse en undispositivo de proteccin si se le adicionan contactos de

alarma por alto y bajo nivel.

El nivel bajo de aceite, es la condicin de mayorpreocupacin ya que significa una fuga del lquido,desarrollada despus de la instalacin.


El transformador operando con un nivel muy bajo deaceite podr fallar debido a que las distancias de


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El transformador operando con un nivel muy bajo deaceite podr fallar debido a que las distancias deseguridad consideradas en el diseo no seranrespetadas, esta condicin podra producir arcoselctricos entre el tanque y bobinas y/o sobre

calentamiento.

Adicionalmente, un nivel alto de aceite podrasignificar sobre presiones en el tanque que no puedasoportar en condiciones de sobre carga.



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NIVEL DE LLENADO % SOBRE

O POR DEBAJO DE LA

TEMPERATURA

PROMEDIO DEL


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1007550250

-33-67

-100

85705540

25 *10-5-20

O POR DEBAJO DE LAESCALA DE NIVEL A 25 C

PROMEDIO DELLQUIDO C

* TEMPERATURA DE LLENADO EN FBRICA


Indicador temperatura de aceite.


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Este dispositivo da una indicacin de la temperaturadel lquido aislante- refrigerante en la parte superior,por lo cual no puede considerarse como un elementode falla, debido a que los devanados estn expuestos

a temperaturas superiores a las monitoreadas por esteindicador. Esta diferencia es directamente proporcionala la carga manejada debido a que la constante detiempo del aceite es mucho mayor que la de losdevanados.

Por lo tanto las lecturas del termmetro sernconservadoras.


El indicador de temperatura normalmente forma parte de


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El indicador de temperatura normalment

manual protecciones electricas

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