Protección avanzada en instalaciones industriales. Selectividad de zona

En el marco de este análisis, se estudia la coordinación entre los diferentes dispositivos destinados a la protección de zonas y componentes específicos para:

• garantizar la seguridad en todos los casos
• identificar la zona implicada en el problema y excluirla rápidamente, sin intervenciones indiscriminadas que reducirían la disponibilidad de energía en zonas en buen estado.
• reducir el efecto del fallo en otras zonas básicas de la instalación (reducción del valor de la tensión, pérdida de estabilidad en motores)
• reducir la tensión en componentes y los daños en el área afectada
• garantizar la continuidad del servicio con una tensión de alimentación de buena calidad.
• garantizar un respaldo adecuado en caso de fallo de funcionamiento de la protección asignada a la apertura
• proporcionar al personal y al sistema de gestión la información necesaria para reiniciar el servicio en el menor tiempo posible y con el menor contratiempo para el resto de la red
• lograr una buena combinación de fiabilidad, sencillez y ahorro

En definitiva, un buen sistema de protección debe ser capaz de:

• comprender lo que ha sucedido y cómo ha sucedido, diferenciar entre situaciones anómalas pero tolerables y situaciones de fallo dentro de la zona de influencia y evitar disparos indeseados que conllevan la desconexión de una parte, en buen estado, de la instalación
• trabajar lo más rápido posible para limitar los daños (destrucción, envejecimiento acelerado, …) preservando la continuidad y la estabilidad del suministro eléctrico.

Las soluciones proceden de un compromiso entre estos dos requisitos opuestos: identificación precisa del fallo y rápida intervención, y se definen de conformidad con el requisito que tiene prioridad.

Por ejemplo, en caso de que sea más importante evitar disparos no deseados, se prefiere un sistema de protección indirecto basado en enclavamientos y transmisión de datos entre diferentes dispositivos que evalúa los valores eléctricos localmente, mientras que la velocidad y la limitación del efecto destructivo del cortocircuito requieren sistemas con acción directa que utilizan bobinas de protección directamente incorporadas en los dispositivos.

En sistemas de baja tensión para la distribución primaria y secundaria, se prefiere por lo general la segunda solución.

Armonizar la intervención de las protecciones en caso de sobrecorrientes (sobrecargas y cortocircuitos) abarca el 90% de los requisitos de coordinación de las protecciones en redes no interconectadas de baja tensión.

Antes de seguir adelante, conviene recordar que:

• la “selectividad de los disparos por sobrecorriente” es una “coordinación entre las características de funcionamiento de dos o más dispositivos de protección contra sobrecorriente, de modo que cuando la falta se produce dentro de unos límites establecidos, el dispositivo destinado a funcionar dentro de dichos límites interviene mientras que los demás no lo hacen” (norma IEC 60947-1, def. 2.5.23);
• la “selectividad total” es una “selectividad en la cual, en presencia de dos dispositivos de proteccióncontra sobrecorriente en serie, el dispositivo de protección del lado de la carga lleva a cabo la protección sin que intervenga el otro dispositivo” (norma IEC 60947-2, def. 2.17.2);
• la “selectividad parcial” es una “selectividad en la cual, en presencia de dos dispositivos de protección contra sobrecorriente en serie, el dispositivo de protección del lado de la carga lleva a cabo la protección hasta un nivel de sobrecorriente determinado sin que el otro dispositivo intervenga” (norma IEC 60947-2, def. 2.17.3); este nivel de sobrecorriente se denomina “intensidad límite de selectividad Is” (norma IEC 60947-2, def. 2.17.4);
• La “protección de acompañamiento” es la “coordinación de dos dispositivos de protección en serie para la protección contra sobrecorriente. El dispositivo de protección situado en el lado de la alimentación se encarga, por lo general (pero no necesariamente), de la protección contra la sobrecorriente con o sin ayuda del otro dispositivo y esfuerzos excesivos en este último” (norma IEC 60947-1, def. 2.5.24). El valor de corriente por encima del cual se garantiza la protección se denomina “Intensidad de Intersección IB” (norma IEC 60947-1, def. 2.5.25 y norma IEC 60947-1, def. 2.17.6).

2. Introducción

Limitando el análisis al comportamiento de los dispositivos de protección con intervención basada en relés de sobrecorriente, la estrategia utilizada para coordinar las protecciones depende en gran medida de los valores de corriente nominal y de cortocircuito en la instalación en cuestión

La selectividad de zona es uno de los métodos más avanzados para coordinar las protecciones: esta filosofía de protección permite reducir los tiempos de disparo de la protección más cercana al fallo respecto de los tiempos previstos por la selectividad cronométrica, cuyo perfeccionamiento ha desembocado en la selectividad de zona.

En la selectividad cronométrica, la coordinación de las protecciones se realiza asociando el valor medido de la corriente con la duración del fenómeno: un determinado valor de corriente hará que las protecciones actúen después de un intervalo de tiempo que permita a las protecciones “más cercanas” al fallo de disparar primero, excluyendo la zona donde se produce la falta.

Por tanto, la estrategia consiste en aumentar los umbrales de corriente y los retardos de las protecciones contra cortocircuitos progresivamente a medida que las fuentes de alimentación se aproximan (nivel de ajuste de la protección directamente relacionado con su nivel jerárquico).

La diferencia entre los retardos definidos en las protecciones en serie debe tener en cuenta la suma de:

• los tiempos de determinación y eliminación del fallo
• el tiempo de sobre impulso del dispositivo en el lado de la alimentación (intervalo durante el cual la protección aguas arriba puede dispararse aunque el fenómeno haya finalizado). Este estudio se realiza comparando las curvas de disparo de tiempo-corriente de los dispositivos de protección.

Por lo general, este tipo de coordinación:

• es fácil de estudiar y de construir y no es caro comparado con el sistema de protección
• permite obtener valores límites de selectividad aún mayores, a igualdad de corriente de corta duración soportada por el dispositivo del lado de la alimentación
• permite el respaldo de las protecciones y puede ofrecer buena información al sistema de control;

pero:

• los tiempos de disparo y los niveles de energía de las protecciones, especialmente de aquéllas cercanas a las fuentes, son altos, con problemas obvios de seguridad y de daños en los componentes (generalmente sobredimensionados) incluso en las zonas no implicadas en el fallo;
• sólo permite el uso de interruptores limitadores de corriente en el último escalón; los demás interruptores deben ser capaces de soportar los esfuerzos térmicos y electrodinámicos relacionados con el paso de la corriente de fallo para el intervalo de tiempo específico. Deben utilizarse interruptor selectivos (interruptor de categoría B de conformidad con la norma IEC 60947-2) para los diferentes niveles, por lo general interruptores automáticos de bastidor abierto, para garantizar una corriente de corta duración admisible suficientemente alta;
• la duración de las perturbaciones en las tensiones de alimentación, causadas por la corriente de corta duración en las zonas no implicadas en el fallo, puede crear problemas con dispositivos electrónicos y electromecánicos (tensión por debajo del valor de actuación de la bobina de mínima).

3. Selectividad de zona

Este tipo de coordinación es un perfeccionamiento de la selectividad cronométrica y puede ser directa o indirecta. Por lo general, se obtiene a través del diálogo entre los dispositivos de medición de corriente los cuales, una vez determinado que se ha superado el umbral regulado, permiten identificar correctamente la zona de fallo y cortar el suministro eléctrico de la misma.

En la práctica, puede obtenerse de dos maneras:

• los dispositivos de medición envían la información relacionada con el exceso del umbral de corriente establecido al sistema de supervisión y éste decide qué protección debe intervenir (tipo indirecto);
• cada protección, en presencia de valores de corriente más altos que lo establecido, envía una señal de bloqueo a las protecciones aguas arriba a través de una conexión directa o un bus y, antes de actuar, comprueba de no haber recibido una señal de bloqueo similar desde alguna protección situada aguas abajo. Esto significa que sólo la protección más cercana a la falta interviene (tipo directo).

El primer método prevé tiempos de disparo en un rango de 0.5 a 1s y se utiliza, especialmente, en el caso de corrientes de corta duración bajas cuya dirección de flujo está definida de manera ambigua.

El segundo método permite tiempos de disparo definitivamente más bajos: comparado con una selectividad cronométrica, ya no es necesario aumentar el intervalo de tiempo a medida que la fuente de suministro eléctrico se aproxima. El tiempo de retardo programado puede reducirse al tiempo suficiente para confirmar la ausencia de cualquier señal de bloqueo desde la protección aguas abajo (o sea al tiempo que necesita el dispositivo aguas abajo para determinar la situación anómala y completar la transmisión de la señal correctamente).

Comparada con la selectividad cronométrica, la selectividad de zona:

• reduce los tiempos de disparo y aumenta el nivel de seguridad; los tiempos de disparo pueden ser de 100ms o inferiores;
• reduce el daño causado por el fallo así como las perturbaciones en el sistema de suministro eléctrico;
• reduce los esfuerzos térmicos y dinámicos en los interruptores;
• permite un altísimo número de niveles de selectividad.

Por otro lado, es más onerosa en cuanto a costes y complejidad de instalación. Las altas prestaciones requeridas necesitan aumentos de tamaño (aunque menos de los previstos en el caso de la selectividad cronométrica pura), componentes especiales, cableados adicionales, fuentes de suministro eléctrico auxiliares, …

Por consiguiente, esta solución se utiliza principalmente en sistemas con altos valores de corriente nominal y de cortocircuito, con requisitos muy exigentes tanto para la seguridad como para la continuidad del servicio: a menudo se encuentran ejemplos de selectividad de zona en cuadros de mando de distribución primaria, en el lado de la carga de transformadores y generadores.

3.1 Selectividad de zona con la serie de interruptores automáticos Emax

El constante aumento de la complejidad tecnológica y funcional de las instalaciones eléctricas requiere todo tipo de componentes, especialmente aquéllos que, como los interruptores de protección, son de vital importancia para la seguridad. Asimismo, requiere niveles altos de fiabilidad y continuidad de servicio con necesidades de mantenimiento mínimas.

Los interruptores automáticos de la serie Emax cumplen con estos requisitos ya que han sido estudiados para integrarse y coordinarse perfectamente con las diferentes líneas de productos de baja tensión de ABB.

Disponibles en cinco tamaños, se caracterizan por corrientes permanente asignada de 800 A a 6300 A, con capacidades de corte de 42 kA a 150 kA (380/415 Vca). Los interruptores Emax se pueden equipar con relés electrónicos denominados PR121, PR122 y PR123.

La completa gama de relés permite coordinar las funciones de protección según el valor de corriente, tiempo y energía de las cadenas de selectividad y, con los relés de sobrecorriente PR122 y PR123, también según la selectividad de zona.

3.2 Relés electrónicos PR122/PR123

La amplia gama de ajustes otorga a la protección un carácter general, es decir, adecuado para cualquier tipo de instalación.

Por lo general, los relés no requieren alimentación auxiliar dado que la energía procede de los transformadores de corriente (CT): para activar las funciones de protección y de amperímetro, basta con que al menos una fase tenga una corriente superior a 100A. Para la visualización, al menos una fase debe tener una intensidad de carga superior a 160A.

Se incluye la posibilidad de alimentación auxiliar a través de una unidad de batería portátil PR130/B (siempre suministrada). Esta unidad permite ajustar las protecciones con el interruptor no autoalimentado.

Los relés PR122/ PR123 se suministran con diferentes funciones de protección como, por ejemplo:

• Sobrecarga (L)
• Cortocircuito selectivo (S)
• Cortocircuito instantáneo (I)
• Falta a tierra (G)

Para todas estas funciones, existe una amplia gama de ajustes disponibles para los tiempos y umbrales de disparo.

Las funciones S y G pueden retardarse con un tiempo independiente de la corriente (t=k) o dependiente de la corriente (energía específica pasante constante I2t= k). La protección relativa a la falta a tierra también puede realizarse conectando los relés a un transformador toroidal externo situado en el conductor que conecta el centro estrella del transformador a la tierra.

Características funcionales de los relés PR122 y PR123 para la selectividad de zona

La selectividad de zona puede aplicarse a la función S y a la función G. Para ello, es necesario disponer de una alimentación auxiliar para garantizar la presencia de la señal de bloqueo (ZSin y ZSout) y su estabilidad entre un interruptor y aquél que más cerca se encuentre del lado de la alimentación.

La selectividad de zona se realiza mediante un simple cable de conexión: cada una de las protecciones que detecta el fallo envía una señal de bloqueo (ZSout) a la protección aguas arriba y, antes de disparar, comprueba de no haber recibido una señal similar desde una protección aguas abajo. La salida ZSout puede conectarse a un máximo de 20 entradas ZSin en el lado de la alimentación en la cadena de selectividad.

Cabe destacar que, en la selectividad de zona, conviene prever la selectividad cronométrica de las protecciones, para garantizar siempre la selectividad, inclusive en el caso de que no hubiera alimentación auxiliar (condición que excluye la selectividad de zona).

Con la selectividad de zona, sólo la protección encargada de controlar la zona donde se produjo el fallo dispara sin tener en cuenta el retardo regulado para la S, minimizando, por tanto, los efectos del cortocircuito.

La señal de selectividad de zona está representada por un mensaje binario con las siguientes características eléctricas:

Señal lógica 0: 0 [V]

Señal lógica 1: Vaux [V]

Es interesante observar que, con la selectividad de zona activada, la protección S dispara de acuerdo con el tiempo regulado para la selectividad de zona “tiempo de selectividad” cuando el umbral de disparo se supera y no hay señal ZSin. El ajuste del tiempo de disparo se define dentro de los siguientes valores: tiempo de selectividad = 0.04…0.2 s con pasos de 0.01 s.

Sin embargo, en el caso de selectividad de zona desactivada, cuando el umbral de disparo se supera y la señal ZSin está presente, comienza la temporización de la protección S y, si el fallo no cesa en el tiempo establecido t2, el interruptor disparará, lo cual garantiza una protección de respaldo en cualquier caso.