corto circuito

UNIVERSIDAD SIMN BOLVARCOORDINACIN DE INGENIERA ELCTRICA

ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO Y COORDINACIN DE PROTECCIONES EN EDIFICIOS BANCARIOS CON GENERACIN PROPIA

POR

JOS A. GMEZ MNDEZ

INFORME FINAL DE PASANTA PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

Sartenejas, Abril del 2003

UNIVERSIDAD SIMN BOLVARCOORDINACIN DE INGENIERA ELCTRICA

ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO Y COORDINACIN DE PROTECCIONES EN EDIFICIOS BANCARIOS CON GENERACIN PROPIA

POR JOS A. GMEZ MNDEZ

TUTOR ACADMICO: PROF. RICHARD RIVAS TUTOR INDUSTRIAL: ING. BERNARDO SCHWED

INFORME FINAL DE PASANTA PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

Sartenejas, Abril del 2003

RESUMEN

El presente proyecto de pasanta se realiz en las oficinas de INTEL SYSTEMS 2000, C.A., Av. Principal El Bosque, Chacaito, Caracas. Actualmente la compaa presta su servicio a un edificio bancario de 11 pisos que posee generacin propia, en donde se ha realizado un estudio de niveles de cortocircuito y coordinacin de protecciones elctricas. El propsito de dicho estudio fue determinar y recomendar a este cliente las acciones necesarias en cuanto a dimensionamiento y ajuste de interruptores se refiere. Esto con la finalidad de optimizar y garantizar una coordinacin de protecciones que ofrezca una buena selectividad y sensibilidad ante posibles eventos de fallas en el sistema elctrico del edificio. Se logr el buen funcionamiento del sistema de protecciones, un sistema bien dimensionado ante corrientes de falla, eficiente y selectivo ante aperturas de interruptores, y continuidad en el servicio elctrico para el funcionamiento de las bases de datos, de los servidores y computadores de la entidad bancaria.

iv

DEDICATORIA

Quiero dedicar este proyecto de pasanta a las personas que han compartido conmigo la mayora de las cosas que me suceden, que me han acompaado, que me han apoyado en todo momento y que de una forma u otra han colaborado y han puesto el granito de arena en mi vida que me impulsa a alcanzar el ttulo de Ingeniero Electricista.

A quienes me han acompaado y mostrado siempre su apoyo, MIS PADRES. Slo a ellos le debo existencia y mi personalidad.

A mis grandes amigos y compaeros de toda la vida. MI HERMANO, con quien he compartido mi vida y mi infancia, Ing. Boris Gmez y MI AMIGO T.S.U Sandy Rodrguez.

A mi GRUPO DE ESTUDIO (amigos y hermanos de la universidad) que me han acompaado y dado su apoyo durante mis estudios universitarios, a quienes respeto y admiro como profesionales que son, Edwin Quizpe, Crosbylehyn Lpez, Gonzalo Guzmn, Rafael Vega, Sergio Berrocal, Rafael Saldivia, Oscar Salgado, y Victor Rosica.

A dos amigos, que a pesar de la distancia que nos ha puesto nuestras carreras universitarias, mantenemos los nexos de amistad y compaerismo que nos uni una vez en el bachillerato, Ing. Jaysmlen Jaspe y el Lic. Eugenio Farrera.

A mi gran amigo y compaero de estudio, Ing. Joe Mogrovejo.

Y a dos personas con quien me une un fuerte lazo de confianza respeto y amistad: Ing. Onex Arocha y el Ing. Felipe Campo.

v

AGRADECIMIENTOS

A mis tutores, Prof. Richard Rivas y al Ing. Bernardo Schwed, quienes me dieron el apoyo necesario para llevar a cabo satisfactoriamente este proyecto de mucha importancia en mi formacin profesional. Muy especialmente, al Ing. Bernardo Schwed, por su confianza y colaboracin. Y a todo el grupo de trabajo de Intel Systems 2000 C.A por su valioso y significativo aporte en la realizacin de este trabajo. Y agradezco significativamente al Prof. Richard Rivas, por haberme brindado su valioso tiempo, su experiencia y sabidura en todo momento, especialmente en las etapas finales de culminacin de este proyecto de grado. A todos ellos,

Muchas gracias

vi

NDICE GENERAL

Portada.. Pgina de ttulo Acta Resumen...... Dedicatoria... Agradecimientos.. ndice general.. ndice de figuras.. ndice de tablas Lista de smbolos y abreviaturas.. Captulo 1: Introduccin 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. Planteamiento y antecedentes del problema. Motivacin... Objetivos y alcance del proyecto. Metodologa.... Resumen de captulos...

i ii iii iv v vi vii iv xiii xvi 1 2 3 3 5 5 6 8 8 15 17 24 26 26 33 38 48

Captulo 2: Descripcin de la Empresa.. Captulo 3: Fundamentos de protecciones elctricas en sistemas de baja tensin 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. Corrientes de cortocircuito.... Clculo de corrientes de cortocircuito en sistemas de baja tensin segn IEEE Std 242-1986. (Edificios Comerciales)... Descripcin de algunos equipos utilizados para la proteccin de sobrecorriente en sistemas de baja tensin.. Coordinacin de protecciones..

Captulo 4: Descripcin del edificio bancario bajo estudio.. 4.1. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. Descripcin del sistema elctrico.... Descripcin del sistema y equipos de proteccin. Descripcin del Power Break II. Insulated Case Circuit Breakers... Descripcin del Spectra RMS. Molded Case Circuit Breakers.......

vii

Captulo 5: Coordinacin de protecciones. 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. Recopilacin y verificacin de datos... Clculo de niveles de cortocircuito.. Verificacin y anlisis de la coordinacin de protecciones existente.... Realizacin y anlisis de la nueva coordinacin de protecciones.....

52 52 55 60 79 98 98 100 102

Captulo 6: Conclusiones y Recomendaciones.... 6.1. 6.2. Conclusiones... Recomendaciones..

Referencias Bibliogrficas. Apndice 1: Caractersticas de los elementos y equipos que conforman el sistema elctrico del edificio... Apndice 2: Niveles de cortocircuito y verificacin de la capacidad de interrupcin en las principales barras del sistema... Apndice 3: Tablas caractersticas y curvas tiempo corriente de los interruptores Power Break II. Apndice 4: Diagramas unifilares y detalles de la carga en la Barra de Emergencia. Apndice 5: Ajustes actuales de interruptores y curvas tiempo-corriente de la coordinacin de protecciones existente.... Apndice 6: Ajustes sugeridos de interruptores y curvas tiempo-corriente de la nueva coordinacin de protecciones... Apndice 7: Fotografas...

104 109 123 128 140 174 198

viii

NDICE DE FIGURAS

Captulo 3 Figura # 3.1.1 Figura # 3.1.2 Figura # 3.1.3 Contribuciones de varias fuentes a la corriente de cortocircuito... Efecto de asimetra en la corriente de cortocircuito.... Corrientes de cortocircuito simtricas de algunas fuentes. 10 13 14

Captulo 4 Figura # 4.1.1 Figura # 4.2.1.1 Figura # 4.2.1.2 Figura # 4.2.1.3 Figura # 4.2.1.4 Figura # 4.2.1.5 Figura # 4.2.1.6 Figura # 4.2.1.7 Figura # 4.2.1.8 Figura # 4.2.1.9 Figura # 4.2.1.10 Figura # 4.2.2.1 Figura # 4.2.2.2 Diagrama unifilar... Ajuste del umbral de corriente de la funcin RLT.... Ajuste de la temporizacin de la funcin RLT.. Ajuste del umbral de corriente de la funcin RCT... Ajuste de la temporizacin de la funcin RCT. I t en OFF... Refinamiento inclinado de la temporizacin del RCT. I t en ON.. Ajuste de la corriente del instantneo... Almacenamiento e integracin de las corrientes de falla a tierra en la memoria del interruptor.... Ajuste del umbral de corriente de fallas a tierra... Pantalla de programacin Unidad de disparo ajustable (Trip Unit).. Curva caracterstica del Spectra RMS.. Unidad de disparo y perilla de ajuste del instantneo 45 45 47 48 51 512 2

29 40 41 42 43 43 44

Captulo 5 Figura # 5.3.1 Figura # 5.3.2 Figura # 5.3.3 Figura # 5.3.4 Figura # 5.3.5 Figura # 5.3.6 Figura # 5.3.7 Figura # 5.4.1 Figura # 5.4.2 Secuencia lgica de disparo. Caso 1: Normal con Chiller # 1... Caso 1: Normal con Chiller 1. Coordinacin Existente Caso 1: Normal con Chiller 1. Coordinacin Existente Secuencia lgica de disparo. Caso 1: Normal con Chiller # 2.......... Secuencia lgica de disparo. Caso 2: Absorcin de picos Secuencia lgica de disparo. Caso 3: El transformador de 2000 kVA de la acometida # 1 falla. .. Secuencia lgica de disparo. Fallas a Tierra... Secuencia lgica de disparo para el ajuste nico y definitivo de los interruptores presentes en el sistema elctrico de la entidad bancaria... Caso 1: Normal con Chiller 1. Coordinacin Sugerida.... 81 85 73 75 65 66 68 69 71

ix

Figura # 5.4.3

Caso 1: Normal con Chiller 1. Coordinacin Sugerida.

87

Apndice 3 Figura # Ap3.1 Figura # Ap3.2 Curvas tiempo-corriente. Power Break II.. Curvas tiempo-corriente ante Fallas a Tierra. Power Break II... 126 127

Apndice 4 Figura # Ap4.1 Figura # Ap4.2 Figura # Ap4.3 Figura # Ap4.4 Figura # Ap4.5 Figura # Ap4.6 Figura # Ap4.7 Figura # Ap4.8 Figura # Ap4.9 Figura # Ap4.10 Figura # Ap4.11 Diagrama unifilar. Caso 1: Normal con Chiller 1... Diagrama unifilar. Caso 1: Normal con Chiller 2... Diagrama unifilar. Caso 2: Absorcin de picos Diagrama unifilar. Caso 3: El Transformador de 2000 kVA de la Acometida # 1 falla... Diagrama unifilar. Caso 3: El Transformador de 2000 kVA de la Acometida # 2 falla Diagrama unifilar. Caso 4: Falla Total. Primera etapa Diagrama unifilar. Caso 4: Falla Total. Segunda etapa.. Diagrama unifilar. Caso 5: Falla en la Barra de Emergencia.. Detalle de la carga en la Barra de Emergencia. Detalle de la carga en la Barra de Emergencia. Detalle de la carga en la Barra de Emergencia.... 133 134 135 136 137 138 139 132 129 130 131

Apndice 5 Figura # Ap5.1 Figura # Ap5.1.1 Figura # Ap5.1.2 Figura # Ap5.1.3 Figura # Ap5.1.4 Figura # Ap5.1.5 Figura # Ap5.2 Figura # Ap5.2.1 Figura # Ap5.3 Figura # Ap5.3.1 Figura # Ap5.3.2 Figura # Ap5.4 Curva Tiempo-corriente del Interruptor B12. Ajuste Existente.. Curva Tiempo-corriente del Interruptor B13. Ajuste Existente.. Curva Tiempo-corriente de las Protecciones de las Bombas Principales. Ajuste Existente. Curva Tiempo-corriente de las Protecciones de las Bombas Secundarias. Ajuste Existente.... Curva Tiempo-corriente del Interruptor Cto.No1 Chiller # 2. Ajuste Existente. Curva Tiempo-corriente del Interruptor Cto.No2 Chiller # 2. Ajuste Existente. Caso 1: Normal con Chiller 2. Coordinacin Existente.... Caso 1: Normal con Chiller 2. Coordinacin Existente Caso 2: Absorcin de picos. Coordinacin Existente. Caso 2: Absorcin de picos. Coordinacin Existente. Caso 2: Absorcin de picos. Coordinacin Existente. Caso 3: El transformador de 2000 kVA de la acometida # 1 falla. Coordinacin Existente 163 155 156 157 158 159 160 161 162 154 152 153

x

Figura # Ap5.4.1 Figura # Ap5.5 Figura # Ap5.5.1 Figura # Ap5.6 Figura # Ap5.6.1 Figura # Ap5.6.2 Figura # Ap5.6.3 Figura # Ap5.6.4 Figura # Ap5.6.5 Figura # Ap5.6.6

Caso 3: El transformador de 2000 kVA de la acometida # 1 falla. Coordinacin Existente.... Caso 1: Normal con Chiller 1. Fallas a Tierra. Coordinacin Existente.... Caso 1: Normal con Chiller 1. Fallas a Tierra. Coordinacin Existente. Verificacin de la Proteccin del Alimentador que llega al Tablero Principal de la Barra de Emergencia en el Piso 12. Ajuste Existente.. Verificacin de la Proteccin del Alimentador que llega al Tablero Principal de la Barra de Emergencia en el Piso 13. Ajuste Existente.................................. Verificacin de la Proteccin del Alimentador que llega al Tablero Principal de la Barra de Emergencia en el Piso 15. Ajuste Existente.. Verificacin de la Proteccin del Alimentador que llega al Tablero Principal de la Barra de Emergencia en el Piso 16. Ajuste Existente.. Verificacin de la Proteccin del Alimentador que llega al Tablero Principal de la Barra de Emergencia en el Piso 17. Ajuste Existente.. Verificacin de la Proteccin del Alimentador que llega al Tablero Principal de la Barra de Emergencia en el Piso 19. Ajuste Existente.. Verificacin de la Proteccin del Alimentador que llega al Tablero Principal de la Barra de Emergencia en el Piso 20. Ajuste Existente.. 173 172 171 170 169 168 167 164 165 166

Apndice 6 Figura # Ap6.1 Figura # Ap6.1.1 Figura # Ap6.1.2 Figura # Ap6.2 Figura # Ap6.2.1 Figura # Ap6.3 Figura # Ap6.3.1 Figura # Ap6.3.2 Figura # Ap6.4 Figura # Ap6.4.1 Figura # Ap6.5 Figura # Ap6.5.1 Curva Tiempo-corriente del Interruptor B12. Ajuste Sugerido... Curva Tiempo-corriente de las Protecciones de las Bombas Principales. Ajuste Sugerido. Curva Tiempo-corriente de las Protecciones de las Bombas Secundarias. Ajuste Sugerido. Caso 1: Normal con Chiller 2. Coordinacin Sugerida. Caso 1: Normal con Chiller 2. Coordinacin Sugerida. Caso 2: Absorcin de picos. Coordinacin Sugerida.. Caso 2: Absorcin de picos. Coordinacin Sugerida.. Caso 2: Absorcin de picos. Coordinacin Sugerida.. Caso 3: El transformador de 2000 kVA de la acometida # 1 falla. Coordinacin Sugerida. Caso 3: El transformador de 2000 kVA de la acometida # 1 falla. Coordinacin Sugerida. Caso 1: Normal con Chiller 1. Fallas a Tierra. Coordinacin Sugerida..... Caso 1: Normal con Chiller 1. Fallas a Tierra. Coordinacin Sugerida. 193 194 195 192 186 187 188 189 190 191 185 184

xi

Figura # Ap6.6 Figura # Ap6.6.1

Ajuste del Instantneo del Interruptor del Tablero Principal de la Barra de Emergencia en el Piso 15. Ajuste Sugerido.... Ajuste del Instantneo del Interruptor del Tablero Principal de la Barra de Emergencia en el Piso 17. Ajuste Sugerido 197 196

Apndice 7 Figura # Ap7.1 Figura # Ap7.2 Figura # Ap7.3 Figura # Ap7.4 Figura # Ap7.5 Figura # Ap7.6 Figura # Ap7.7 Figura # Ap7.8 Figura # Ap7.9 Figura # Ap7.10 Interruptor Power Break II Interruptor Power Break II Generador a Gas (500 kW). Generador a Gas (500 kW). Generador a Diesel (500 kW). Generador a Diesel (500 kW). Circuitos de Chillers... Bombas de Agua Secundarias UPSs.. Banco de Bateras para los UPSs. 199 199 200 200 201 201 202 202 203 203

xii

NDICE DE TABLAS

Captulo 5 TABLA # 5.2.1 Nivel de Cortocircuito ms desfavorable en las barras principales del sistema. 58

Apndice 1 TABLA # Ap1.1 TABLA # Ap1.2 TABLA # Ap1.3 TABLA # Ap1.4 TABLA # Ap1.5 TABLA # Ap1.6 TABLA # Ap1.7 Datos de generadores.. Datos de las barras trifsicas.. Datos de motores de induccin.. Datos de UPSs. Datos de transformadores... Datos de las Acometidas de la EDC.. Datos de los cables que alimentan a los generadores... 105 105 106 107 107 108 108

Apndice 2 TABLA # Ap2.1 TABLA # Ap2.2 TABLA # Ap2.3 TABLA # Ap2.4 TABLA # Ap2.5 TABLA # Ap2.6 TABLA # Ap2.7 TABLA # Ap2.8 Niveles de cortocircuito en las Principales Barras del sistema. CASO 1. Normal con Chiller 1.. Niveles de cortocircuito en las Principales Barras del sistema. CASO 1. Normal con Chiller 2.. Niveles de cortocircuito en las Principales Barras del sistema. CASO 2. Absorcin de picos Niveles de cortocircuito en las Principales Barras del sistema. CASO3. El transformador de 2000 kVA de la acometida # 1 falla Niveles de cortocircuito en las Principales Barras del sistema. CASO 3. El transformador de 2000 kVA de la acometida # 2 falla Niveles de cortocircuito en las Principales Barras del sistema. CASO 4. Falla total. Primera etapa. Niveles de cortocircuito en las Principales Barras del sistema. CASO 4. Falla total. Segunda etapa... Niveles de cortocircuito en las Principales Barras del sistema. CASO 5. Falla en la Barra de Emergencia. Condicin Prefalla: Modalidad Normal con Chiller 1 TABLA # Ap2.9 Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados a la Bus4_T-PEM. 118 117 116 115 114 113 112 111 110

xiii

TABLA # Ap2.10 TABLA # Ap2.11 TABLA # Ap2.12 TABLA # Ap2.13 TABLA # Ap2.14 TABLA # Ap2.15 TABLA # Ap2.16 TABLA # Ap2.17 TABLA # Ap2.18

Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados a la Bus6 Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados a la Bus7_T-PCIT. Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados a la Bus8_CCM-B Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados a la Bus9_Barra Normal.... Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados al Nodo o Bus10.. Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados a la Bus12_Barra Emergencia. Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados a la Nodo o Bus13.. Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados a la Bus15_Barra Emergencia Respaldo.. Verificacin de la capacidad de interrupcin. Interruptores asociados a la Bus16_CCM-A.. 122 122 121 121 120 120 119 119 118

Apndice 3 TABLA # Ap3.1 TABLA # Ap3.2 TABLA # Ap3.3 Power Break II. Trip unit characteristics.... Trip unit characteristics (continued)... Rating plug and current sensor rating. Power Break II... 124 124 125

Apndice 5 TABLA # Ap5.1 TABLA # Ap5.2 TABLA # Ap5.3 TABLA # Ap5.4 TABLA # Ap5.5 TABLA # Ap5.6 TABLA # Ap5.7 TABLA # Ap5.8 TABLA # Ap5.9 TABLA # Ap5.10 TABLA # Ap5.11 TABLA # Ap5.12 Ajustes actuales. Interruptores principales en la Barra de Emergencia... Ajustes actuales. Interruptores principales en la Barra Normal....................... Ajustes actuales. Interruptores principales de las bombas y Chillers.... Ajustes actuales. Interruptores de reserva... Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B1 Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B2... Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B3... Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B4 Ajuste actual. Interruptor Merlin Gerin. B5.... Ajuste actual. Interruptor Merlin Gerin. B5-1.... Ajuste actual. Interruptor Merlin Gerin. B5-2.... Ajuste actual. Interruptor Merlin Gerin. B5-3.... 141 142 142 143 143 144 144 145 145 146 146 147

xiv

TABLA # Ap5.13 TABLA # Ap5.14 TABLA # Ap5.15 TABLA # Ap5.16 TABLA # Ap5.17 TABLA # Ap5.18 TABLA # Ap5.19 TABLA # Ap5.20

Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B6 Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B7... Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B8 Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B9... Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B10. Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B11. Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B12. Ajuste actual. Interruptor Power Break II. B13.

147 148 148 149 149 150 150 151

Apndice 6 TABLA # Ap6.1 TABLA # Ap6.2 TABLA # Ap6.3 TABLA # Ap6.4 TABLA # Ap6.5 TABLA # Ap6.6 TABLA # Ap6.7 TABLA # Ap6.8 TABLA # Ap6.9 TABLA # Ap6.10 TABLA # Ap6.11 TABLA # Ap6.12 TABLA # Ap6.13 TABLA # Ap6.14 TABLA # Ap6.15 TABLA # Ap6.16 TABLA # Ap6.17 TABLA # Ap6.18 Ajustes Sugeridos. Interruptores principales en la Barra de Emergencia. Ajustes Sugeridos. Interruptores principales de las bombas y Chillers. Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B1.. Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B2.. Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B3.. Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B4.. Ajuste Sugerido. Interruptor Merlin Gerin. B5.. Ajuste Sugerido. Interruptor Merlin Gerin. B5-1... Ajuste Sugerido. Interruptor Merlin Gerin. B5-2... Ajuste Sugerido. Interruptor Merlin Gerin. B5-3... Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B6.. Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B7.. Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B8.. Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B9.. Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B10 Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B11.... Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B12.... Ajuste Sugerido. Interruptor Power Break II. B13.... 175 175 176 176 177 177 178 178 179 179 180 180 181 181 182 182 183 183

xv

LISTA DE SMBOLOS Y ABREVIATURAS

A AT Aint ANSI Aout AWG ca CEN cm. CSA Cu DC EDC Eff Fp ft h HP Hz I Icc IEC IEEE Ing. Inom Inst kA km kV kVA kW m MT

Ohmios (unidad de resistencia elctrica). Amperios. Alta Tensin. Corriente de Entrada. American National Standards Institute. Corriente de Salida. American Wire Gauge (Sistema de calibres Americanos). Corriente Alterna. Cdigo Elctrico Nacional. Centmetro. Canadian Standards Association. Cobre. Corriente Directa. Electricidad de Caracas. Eficiencia. Factor de Potencia. feet (pie) horas. Caballos de Fuerza. Hertz. Corriente Elctrica. Corriente de Cortocircuito. International Electrotechnical Commission. Institute of Electrical and Electronics Engineers. Ingeniero. Corriente Nominal. Corriente del Instantneo. Kiloamperios. Kilmetro. Kilovoltios. Kilovoltios Amperios. Kilowatios. metros. Media Tensin. xvi

m2 MCM mm mseg. MVA NCC1 NCC2LL NCC2T NCC3 NCCmax NEMA Prof. pu Pulg. R RCT RLT RSC S/E S1 S2 S3 seg. Std THD THW Trip TTU TW UL UMA UPS USB V VA VLL

Metro Cuadrado. Mil Circular Mil. Milmetro. Milisegundo. Megavoltio Amperios. Nivel de Cortocircuito Monofsico. Nivel de Cortocircuito Bifsico Lnea-Lnea. Nivel de Cortocircuito Bifsico-Tierra. Nivel de Cortocircuito Trifsico. Nivel de Cortocircuito Mximo. National Electrical Manufacturers Association. Profesor. Sistema en Por Unidad. Pulgadas (inches). Resistencia por Unidad de Longitud. Retardo Corto de Tiempo. Retardo Largo de Tiempo. Remote Switch Concentrator. Subestacin Elctrica. Potencia monofsica. Potencia bifsica. Potencia trifsica. Segundo. Standard. Distorsin Armnica Total. Tipo de aislamiento resistente a la temperatura y a la humedad, especificado para 75 C. Unidad de Disparo. Tipo de aislamiento resistente a la temperatura y a la humedad, especificado para 75 C. Tipo de aislamiento resistente a la humedad, especificado para 60 Ca Underwriters Laboratories. Unidad Manejadora de Aire. Uninterruptible Power Supply. Universidad Simn Bolvar. Voltios. Voltios Amperios. Voltaje Lnea-Lnea. xvii

VLN W X Xd Xd Xo Zneg Zpos V

Voltaje Lnea-Neutro. Watios. Reactancia por Unidad de Longitud. Reactancia Transitoria del Eje Directo. Reactancia Subtransitoria del Eje Directo. Reactancia de Secuencia Cero. Impedancia en Secuencia Negativa. Impedancia en Secuencia Positiva. Cada de tensin.

xviii

-1-

CAPTULO 1INTRODUCCIN

Inicialmente los interruptores de potencia del sistema elctrico del edificio bancario bajo estudio se accionaban ante diversos cortocircuitos sin ninguna secuencia lgica de disparo, siendo muy frecuente perder la selectividad del sistema de proteccin. Ante estos incidentes la solucin que se sola tomar era la de variar la sensibilidad en las temporizaciones y hacer algunos ajustes en la corriente del instantneo, obvindose la realizacin de un estudio de niveles de cortocircuito y coordinacin grfica de protecciones. Aunque el edificio bancario, es una estructura relativamente nueva, realizar un chequeo de la coordinacin de protecciones y verificar la capacidad de interrupcin de los interruptores de caja moldeada, es una forma de comprobar si el sistema elctrico ante eventualidades de falla opera de una manera adecuada, eficiente y selectiva, evitndose as en un futuro posibles explosiones y deterioro de interruptores por condiciones anmalas del sistema. En vista de la necesidad que tiene la entidad bancaria de disminuir las posibilidades de fallas y la prdida de energa elctrica, se hallarn los niveles de cortocircuito mximos en las barras elctricas del sistema y se realizar una coordinacin de protecciones confiable, selectiva y con buena sensibilidad ante fallas elctricas, aumentndose as la continuidad y la confiabilidad del servicio elctrico. Para ello se utilizar un software de clculo de corrientes de fallas y coordinacin de protecciones.

-2-

1.1. Planteamiento y antecedentes del problema. El sistema elctrico de este edificio ha variado con respecto al esquema original de su diagrama unifilar. Existen cargas que originalmente no estaban en los planos elctricos y los ajustes de protecciones fueron realizados bajo fundamentos que no establecen criterios claros de coordinacin, por lo que realizar un levantamiento y hacer un estudio de cortocircuito y coordinacin de protecciones resulta de mucho inters para la empresa y principalmente para el edificio bancario. Se han presenciado casos de cortocircuito y situaciones en las cuales la proteccin encargada de despejar la falla no acta, por lo que la interrupcin de la sobrecorriente ha sido llevada a cabo por las protecciones ubicadas aguas arriba. Esto ha trado como consecuencia que sea interrumpida la alimentacin elctrica de zonas ms amplias del sistema elctrico, lo cual no es deseable ya que se deja de suministrar energa a cargas que no deberan verse afectadas por la falla, adems de implicar un deterioro en la calidad del servicio elctrico. Es de hacer notar que el problema aparece slo en caso de ocurrencia de cortocircuitos, ya que los valores de arranque (umbrales) de los equipos de proteccin se encuentran bien ajustados para condiciones nominales (normales) de carga. Otro factor importante que contribuye al problema es que usualmente no se suele verificar los niveles de cortocircuito al hacer posibles instalaciones de protecciones de nuevos tableros y equipos, por lo que podran encontrarse problemas de dimensionamiento de los mismos. Se debe garantizar que ante cortocircuitos los interruptores de caja moldeada sean capaces de despejar la corriente de falla y no trabarse, o en el peor de los casos explotar o fundir sus contactos.

-3-

1.2. Motivacin. La operacin poco selectiva del sistema de protecciones del edificio trae como consecuencia que la calidad del servicio elctrico prestado empeore, ya que se dejan sin energa reas del sistema que no deberan ser afectadas, por Ej.: reas de redes de comunicacin donde se encuentran servidores y computadores que manejan informacin de gran importancia para la entidad bancaria (red de Data Center).

1.3. Objetivos y alcance del proyecto.

Objetivo general Realizar un estudio de niveles de cortocircuito y coordinacin de protecciones elctricas con el fin de garantizar un suministro de energa eficiente y de buena calidad al sistema elctrico del edificio bancario.

Objetivos especficos a. Actualizar el diagrama unifilar del edificio, incluyendo informacin del sistema de proteccin instalado. b. Aprender a utilizar el software empleado por la empresa para el clculo de niveles de cortocircuitos simtricos y asimtricos en circuitos ramales, as como tambin, la coordinacin grfica de protecciones de sistemas elctricos de potencia y de distribucin. c. Calcular los niveles de cortocircuito simtricos y asimtricos en los circuitos ramales y tableros principales que componen el sistema elctrico del edificio bancario.

-4-

d. Revisar la coordinacin de protecciones de manera que se logre una selectiva y adecuada proteccin en los circuitos ramales y equipos de la red, ante fallas por cortocircuitos simtricos y asimtricos. e. Verificar la capacidad de interrupcin de los equipos de proteccin en los tableros principales de 480/277 V, bombas de agua, transformadores de distribucin, motores de induccin (Chillers), y UPSs, lo que permitir establecer el lmite inferior de corriente de interrupcin en caso de sustituciones o instalacin de nuevos equipos. f. Revisar el ajuste de las protecciones asociadas a los alimentadores de los diferentes tableros principales de 480/277 V. g. Establecer conclusiones y posibles recomendaciones en base al anlisis de la informacin obtenida en los distintos estudios.

Alcance del proyecto Mediante el clculo de los niveles de cortocircuito de la red y del estado actual del sistema de proteccin elctrica del edificio bancario ser posible determinar cuales son las acciones a tomar para corregir los problemas existentes, asegurndose la selectividad de las protecciones y suspendindose el suministro de energa elctrica slo a las partes realmente afectadas por la falla, lo cual aumentar notablemente la confiabilidad del servicio elctrico en el edificio. Con la realizacin de este trabajo, el departamento de Mantenimiento y Operaciones Generales del edificio bancario tendr informacin detallada acerca de la operacin de los interruptores de potencia. Esta informacin ser de utilidad al momento de localizar una falla, adems de ofrecerle a las oficinas del edificio un servicio elctrico confiable y garantizado.

-5-

1.4. Metodologa. La metodologa que se utiliz para hacer posible la realizacin de este proyecto de pasanta fue la siguiente: Se estudi primeramente el programa a utilizar, luego se recopilaron los datos necesarios a partir de los diagramas unifilares y del levantamiento en sitio. Posteriormente se realiz el estudio de niveles de cortocircuito y el estudio de coordinacin de protecciones para emitir conclusiones y recomendaciones.

1.5. Resumen de captulos. El contenido del trabajo se dividi en seis captulos definidos de la siguiente manera: Capitulo 1: Tiene como objetivo dar una descripcin del trabajo de pasanta y del alcance del estudio presentado en este informe. Capitulo 2: Se realiza una descripcin de la empresa donde se elabor este trabajo de pasanta y se seala el tipo de servicio que presta a la sociedad. Captulo 3: Incluye algunos fundamentos tericos en los cuales se basa la investigacin; por Ej. corrientes de cortocircuito y protecciones elctricas. Captulo 4: Se describen las condiciones actuales del sistema elctrico y del sistema de protecciones en el edificio bancario. Captulo 5: Se sealan los pasos, mtodos y procedimientos aplicados para la realizacin del estudio; se comenta el reajuste de interruptores, la nueva coordinacin de protecciones y se analizan resultados. Capitulo 6: Se emiten conclusiones, soluciones y recomendaciones a partir del estudio realizado.

-6-

CAPTULO 2DESCRIPCIN DE LA EMPRESA

Intel Systems 2000, C.A. se ha asociado estratgicamente para la aplicacin y desarrollo de ARK-XXI, un nuevo producto pionero en Latinoamrica en la aplicacin de tecnologa de punta y dirigido a lo que verdaderamente se concibe como el desarrollo de Edificios Inteligentes, se busca integrar en un slo paquete la Gestin de Energa y Control, Mantenimiento de Equipos y la Operacin de los Sistemas de Seguridad; todo esto para ser manejado desde la Sala de Control del Edificio. ARK-XXI est sustentado en la experiencia, conocimientos y asesora de un Grupo de Profesionales de la Ingeniera, dedicados a la Ejecucin de Proyectos de Construccin de gran envergadura. La decisin de acometer esta empresa se origin de una minuciosa investigacin, realizada en pases industrializados y sobre empresas multinacionales, especializadas en automatismos industriales y de edificios inteligentes. Como parmetros principales para la investigacin se evaluaron: equipos, asistencia tcnica, capacidad de innovacin tecnolgica y facilidad de adaptacin al medio latinoamericano. Esta investigacin permiti concluir, que a pesar del creciente desarrollo de la domtica y la inmtica en pases como Estados Unidos, Alemania, Francia e Italia, la implementacin de estas aplicaciones inteligentes en Latinoamrica mediante importacin de equipos, software y desarrollo desde estos pases, era totalmente inalcanzable, todo derivado de los costos de Hora-Hombre requeridos para la Ingeniera de Desarrollo, que estn en una proporcin de diez a uno, con respecto a pases como el nuestro y tambin debido al costo adicional generado por la transferencia de tecnologa, consecuencia de desarrollos ejecutados para pases que poseen diferencias fundamentales con el nuestro, tales como los cambios climticos generados por las estaciones.

-7-

El desarrollo de cada aplicacin que es totalmente particular y cambiante de acuerdo con el proyecto, es ejecutado por INTEL SYSTEMS 2000, C.A., con Ingeniera Local conformada por un grupo de profesionales y personal dotado tcnicamente en la aplicacin y desarrollo de esta tecnologa de punta, y con un conocimiento profundo de las necesidades reales y prioritarias de las edificaciones en el medio, lo cual est avalado por nuestra permanencia y total vigencia dentro de la actividad edificadora del pas. En busca de ofrecer un servicio de alta tecnologa a sus clientes, INTEL SYSTEMS 2000, C.A. pretende hacer que las edificaciones se conviertan en seres que reciban ordenes y acten para mejorar el confort y la seguridad de sus moradores en diferentes aspectos de su que hacer cotidiano. INTEL SYSTEMS 2000, C.A ofrece a la sociedad comercial e industrial: Edificios Inteligentes Automatizacin de Procesos Programas de Ahorro de Energa Fuentes Alternas de Energa Diseo de Sistemas Inteligentes Monitoreo Remoto Automatizacin de Equipos Automatizacin de Sistema de Aire Acondicionado y Ventilacin mecnica.

Utilizando las herramientas de la informtica se han desarrollado sistemas inteligentes de automatismo, que controlan y operan de manera eficiente en: Torres Empresariales, Torres de Oficinas, Complejos Vacacionales, Hoteles, Centros Comerciales, Bibliotecas, Aeropuertos, Hospitales y Universidades.

-8-

CAPTULO 3FUNDAMENTOS DE PROTECCIONES ELCTRICAS EN SISTEMAS DE BAJA TENSIN.

3.1. Corrientes de cortocircuito. 1 Un cortocircuito es un fenmeno elctrico que ocurre cuando dos puntos entre los cuales existe una diferencia de potencial se ponen en contacto entre s, caracterizndose por elevadas corrientes circulantes hasta el punto de falla. Las corrientes de cortocircuito podran considerarse anlogas al flujo de agua en una planta hidroelctrica. La cantidad de agua que fluye en condiciones normales depende de la carga de las turbinas. En este caso, dentro de los lmites razonables, no sera de mayor importancia que el reservorio sea grande o pequeo. Este flujo de agua sera comparable al flujo de corriente elctrica de carga en un sistema de distribucin elctrico, como por Ej. el de un edificio. Por otra parte, si la represa se rompe, la cantidad de agua que fluir depender de la capacidad del reservorio, y tendr muy poca relacin con la carga de las turbinas. En este caso s tiene mucha importancia que el reservorio sea grande o pequeo (capacidad de almacenamiento de agua). Esta capacidad de almacenamiento de agua se asocia con la capacidad de potencia elctrica que puede entregar la empresa que suministra energa elctrica al edificio en caso de un cortocircuito. Al igual que el flujo de agua en la planta hidroelctrica, la corriente elctrica de carga produce trabajo til, mientras que la corriente de cortocircuito produce efectos destructivos.

1

Fuente: Desarrollo de un software para estudios de cortocircuito en sistemas elctricos comerciales e industriales [13]

-9-

La magnitud de la corriente que fluir a travs de un cortocircuito depende principalmente de dos factores: 1) Las caractersticas y el nmero de fuentes que alimentan al cortocircuito. 2) La oposicin o resistencia que presente el propio circuito de distribucin. Las fuentes principales de corrientes de cortocircuito son los generadores existentes en el sistema de potencia local y la generacin remota de la red que le suministra energa elctrica (red pblica). Sin embargo, los motores sincrnicos y de induccin que antes de la falla representaban una carga para el sistema, en condiciones de cortocircuito se comportan como generadores durante un tiempo relativamente corto. La contribucin de estas fuentes se observa en la Fig.3.1.1 La oposicin que presenta el propio circuito de distribucin al flujo de la corriente de cortocircuito se denomina "impedancia" en trminos elctricos y depende de la configuracin del sistema elctrico. Esta se calcula a partir de la impedancia de cada uno de los componentes del sistema. Otro de los factores que influyen sobre la magnitud de la corriente de cortocircuito son el momento, tipo y ubicacin de la falla. Entre las causas ms frecuentes de cortocircuitos a nivel de instalaciones comerciales e industriales se pueden mencionar la ruptura o debilitamiento del aislamiento de conductores y/o equipos y los agentes ambientales. Los efectos de las corrientes de cortocircuitos son muy variados, pero los ms importantes son el efecto Joule (calentamiento de los equipos elctricos debido a la gran circulacin de corriente), los esfuerzos electromecnicos en las mquinas elctricas y la destruccin fsica del lugar de la falla producto de grandes arcos elctricos.

- 10 -

Figura # 3.1.1CONTRIBUCIONES DE VARIAS FUENTES A LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO2

De los efectos de las fallas por cortocircuito, el ms notorio es la interrupcin del suministro elctrico debido a la necesaria apertura del circuito elctrico por parte de los dispositivos de proteccin que despejan la falla y evitan mayores daos en el sistema. An cuando se disee muy cuidadosamente un sistema de potencia, este estar siempre expuesto al dao que puedan causar flujos de corriente en condiciones de cortocircuito (tales como sobrecalentamientos y arcos elctricos destructivos). Para asegurar que los equipos de proteccin puedan aislar fallas rpidamente y minimizar tanto el dao de cada uno de los componentes del sistema de potencia como el riesgo del personal, el estudio de corrientes de cortocircuito debe ser incluido en el diseo y expansin de los sistemas de potencia.2

Fuente: IEEE Std 241-1990 [10]

- 11 -

Se produce un cortocircuito en un sistema de potencia cuando entran en contacto entre s o con tierra conductores energizados correspondientes a distintas fases. Normalmente las corrientes de cortocircuito son muy elevadas, entre 5 y 20 veces el valor mximo de la corriente de carga en el punto de falla. Los cortocircuitos se pueden clasificar en simtricos (balanceados) y asimtricos (desbalanceados). En las fallas simtricas la corriente de las tres fases del sistema son iguales en el instante del cortocircuito. Entre ellas tenemos: Cortocircuito trifsico: se ponen en contacto las tres fases en un mismo punto del sistema. Es el cortocircuito ms severo en la mayora de los casos. Cortocircuito trifsico a tierra: se ponen en contacto las tres fases y tierra en un mismo punto del sistema. En las fallas asimtricas la corriente en las tres fases del sistema no son iguales en el instante del cortocircuito. Entre ellas tenemos: Cortocircuito bifsico (fase a fase): entran en contacto dos fases del sistema. Cortocircuito bifsico a tierra (dos fases a tierra): entran en contacto dos fases y la tierra del sistema. Cortocircuito monofsico (fase a tierra): ocurre al ponerse en contacto una fase cualquiera con la tierra del sistema. Es el cortocircuito ms frecuente. El proceso que ocurre en el sistema de potencia al producirse una falla causada por un cortocircuito es esencialmente de carcter transitorio. La corriente en rgimen normal es una onda sinusoidal a 60 Hz de frecuencia y amplitud constante, no as cuando sucede un cortocircuito. La forma de onda en este caso sigue teniendo una forma sinusoidal a 60 Hz pero va decreciendo exponencialmente desde un valor inicial mximo hasta su valor en rgimen estacionario (ver Fig.3.1.2, corriente total).

- 12 -

Para estudiar el sistema en este estado transitorio se divide el perodo de ocurrencia de la falla en una serie sucesiva de intervalos "casi estacionarios" los cuales son el perodo subtransitorio, transitorio y estacionario o permanente, y se aplica el concepto de impedancia para determinar la corriente correspondiente a cada uno de estos estados o intervalos. La aplicacin del concepto de impedancia se ve plasmado en la asignacin de impedancias variables con el tiempo a las mquinas rotativas las cuales son las fuentes de corriente de cortocircuito. En las mquinas rotativas de corriente alterna generalmente la impedancia puede modelarse como una reactancia inductiva debido a la naturaleza inductiva de sus arrollados, por lo que generalmente se consideran tres reactancias (X) asociadas a cada uno de los intervalos en los que se divide la falla: 1) La reactancia subtransitoria Xd" que es la reactancia aparente del arrollado del estator en el instante del cortocircuito y determina el flujo de corriente en los primeros 30 ciclos (hasta segundo) aproximadamente. 2) La reactancia transitoria Xd que determina la corriente durante el perodo siguiente al subtransitorio y abarca el rango de tiempo entre y 2 segundos despus de la ocurrencia del cortocircuito. 3) La reactancia sincrnica Xd, la cual determina el flujo de corriente cuando se establece el perodo estacionario. Dependiendo de la magnitud y desfasaje en el tiempo entre las ondas de tensin y corriente de un sistema en el instante del cortocircuito, la corriente de falla puede presentar caractersticas de asimetra con respecto al eje normal de la corriente; en general esto ocurre cuando la onda de tensin normal se encuentra en un valor distinto a su pico mximo en el momento de ocurrencia de la falla. Para producir la mxima asimetra el cortocircuito siempre debe ocurrir cuando la onda de tensin se encuentre pasando por cero (magnitud cero). En un sistema trifsico balanceado (con tres

- 13 -

tensiones desfasadas 120), la mxima corriente asimtrica ocurre solamente en una de las fases del sistema (cualquiera de las tres). La asimetra de la corriente de cortocircuito surge debido a que bajo las condiciones explicadas anteriormente, la corriente que fluye tiene dos componentes: la componente de corriente alterna (componente AC) y una componente de corriente directa (componente DC) tal como ocurre en los circuitos RL de corriente alterna. Esta componente DC decrece a medida que pasa el tiempo ya que su energa se disipa en forma de calor por la resistencia del circuito (efecto Joule). Motivado a esto, la rata de decrecimiento es directamente proporcional a la relacin entre la reactancia y la resistencia del circuito (X/R) (entre ms baja es la relacin X/R, ms rpido es el decrecimiento). Por Ej., en sistemas de baja tensin, la relacin X/R generalmente es baja (menor a 15) por lo que la componente DC decae a cero en un rango entre 1 y 6 ciclos dependiendo del caso. Como se observa en la Fig.3.1.2, el valor mximo de la corriente asimtrica ocurre cerca del medio ciclo a partir del instante del cortocircuito.

Figura # 3.1.2EFECTO DE ASIMETRA EN LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO3

- 14 -

Como se dijo anteriormente, las corrientes de cortocircuito tienen varias fuentes, las cuales contribuyen en forma diferente dependiendo de su naturaleza. La forma en que las distintas fuentes alimentan al cortocircuito se muestra en la Fig.3.1.3. A causa de que las corrientes de las mquinas rotativas decrecen a medida que se reduce el flujo despus del cortocircuito, la corriente de cortocircuito total decae con el tiempo. Considerando solamente la parte simtrica de la corriente de cortocircuito, la magnitud es mxima en el primer medio ciclo luego del cortocircuito y de un valor ms bajo unos pocos ciclos despus. Ntese que el componente del motor de induccin desaparecer completamente luego de uno o dos ciclos, exceptuando los motores ms grandes en la cual se puede presentar por ms de cuatro ciclos.

Figura # 3.1.3

3

Fuente: IEEE Std 241-1990 [10]

- 15 -

CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO SIMTRICAS DE ALGUNAS FUENTES

4

3.2. Clculo de corrientes de cortocircuito en sistemas de baja tensin segn la IEEE Std 242-1986. (Edificios Comerciales)5

De acuerdo a el IEEE Std 242-1986, solamente se requiere calcular los valores mximos de corriente de cortocircuito simtrica para el primer medio ciclo ( ciclo), ya que la componente DC decae rpidamente en los sistemas de baja tensin debido a que X/R es muy baja. El punto de partida es la preparacin de un diagrama unifilar con la identificacin y datos de los elementos del sistema, tales como generadores, motores, cables, transformadores, red de suministro de energa, equipo de proteccin y maniobra (interruptores, rels, fusibles), etc. El prximo paso es determinar, del diagrama unifilar, la localizacin y tipo de fallas a estudiar, considerando las condiciones ms severas de operacin como lo son interconexiones cerradas, todas las fuentes de cortocircuito, expansin del sistema a futuro, etc. Las fallas a estudiar son: Trifsica (con contacto directo entre los conductores): Es el estudio ms comn y bsico en sistemas de potencia de edificios comerciales. No es muy frecuente, pero generalmente establecen los valores mximos de corriente de cortocircuito. Lnea-lnea: Las corrientes son aproximadamente un 87% del valor para la falla trifsica. Lnea-tierra: Las corrientes son usualmente iguales o menores a la corriente trifsica debido a la alta impedancia de retorno por tierra, aunque bajo ciertas condiciones pueda ser mayor en teora a la de falla trifsica. Sin embargo, las

4 5

Fuente: IEEE Std 241-1990 [10] Fuente: IEEE Std 242-1986 [11]

- 16 -

pruebas en sistemas reales demuestran que la corriente de falla a tierra es siempre menor a la trifsica. Posteriormente se debe preparar un diagrama de impedancias dependiendo del tipo de falla a estudiar: si slo se estudian las trifsicas, slo se requiere el diagrama de secuencia positiva; si se estudian las fallas asimtricas, se requiere adicionalmente el diagrama de secuencia cero y se asume el diagrama de secuencia negativa igual al de secuencia positiva. Los diagramas deben contener los valores de impedancia (resistencia y reactancia) convertidos a por unidad, la identificacin de cada barra y de cada componente del sistema. Para hacer los diagramas de impedancias se requiere determinar la impedancia de cada uno de los componentes del sistema, para lo cual se recomienda seguir las siguientes consideraciones y simplificaciones: Se desprecian las cargas pasivas (impedancia infinita a referencia). Las tensiones de las mquinas rotativas y la fuente de suministro de potencia se asumen constantes con un valor igual a la tensin nominal del sistema, con esto no se consideran las corrientes de prefalla, las cuales son despreciables. Cmo slo se necesitan los valores de corrientes de cortocircuito para el primer ciclo, se usarn las reactancias subtransitorias de las mquinas rotativas y dems elementos del sistema. Los valores de impedancia de los distintos componentes del sistema se obtienen preferiblemente de los datos de placa del fabricante, pero si no se tienen se pueden obtener de tablas que especifican valores aproximados. Se desprecian las impedancias de barras colectoras, interruptores y

transformadores de corriente.

- 17 -

Se desprecia la contribucin de motores o grupos de motores de induccin con potencia menor a 50 HP, debido a su poca contribucin a la corriente de cortocircuito total.

Se asume un valor de 1 por unidad para la impedancia equivalente del sistema exterior (alimentacin del sistema que se est estudiando, red pblica), suponiendo que las tensiones y potencias de cortocircuito bases son iguales a las tomadas para el anlisis, de lo contrario esta impedancia se debe cambiar a las bases del estudio.

Finalmente, a partir de los diagramas, se hacen los clculos de corriente de cortocircuito, bien sea a mano o con la ayuda de un computador digital.

3.3. Descripcin

de

algunos

equipos

utilizados

para

la

proteccin

de

sobrecorriente en sistemas de baja tensin. Algunos de los dispositivos de proteccin ms comnmente usados en los sistemas elctricos de baja tensin son los fusibles limitadores, interruptores termomagnticos y conjuntos rels-interruptores de potencia. A continuacin se realiza una breve descripcin de estos: 6

Fusibles de expulsin:

Por ms de cien aos se han producido fusibles y hoy en da su uso se ha difundido por todo el mundo. Ellos desempean un papel importante en la proteccin de equipos y redes elctricas, con el objetivo de limitar fallas y garantizar un buen suministro elctrico a los consumidores. El costo de un fusible es incomparablemente ms bajo que el del equipo que protege (Ej.: transformadores, motores, conductores, etc.).6

Fuente: Recopilacin de las Sntesis de Investigacin. CT-422. Prof. Elmer Sorrentino. [14]

- 18 -

Existen varios tipos de fusibles, segn sus caractersticas constructivas y los valores nominales y de falla que manejan: 1) Fusibles tipo K: son llamados fusibles con elemento rpido. Tienen relacin de velocidad (es la relacin entre la corriente de fusin a 0.1 segundos y la de 300 segundos. Para fusibles de capacidad mayor a 100 A, se toma el valor de 600 segundos.) que vara de 6 para regmenes de 6 A y 8 para los de 200 A. 2) Fusibles tipo T: son fusibles con elemento lento. Su relacin de velocidad, para los mismos regmenes de corriente, es de 10 y 13, respectivamente. 3) Fusibles tipo H: son llamados fusibles de elemento extrarpido. Las relaciones de velocidad se encuentran entre 4 y 6. 4) Fusibles tipo DUAL: son fusibles extralentos, cuya relacin de velocidad es de 13 y 20 (para 0.4 y 21 A, respectivamente). Llamado as porque en el mismo elemento se encuentran reunidas la proteccin contra cortos y sobrecargas, este tipo de fusible presenta la mejor caracterstica tiempo-corriente de todos los fusibles desarrollados hasta hoy. Es muy recomendado porque brinda una mejor proteccin, evita salidas innecesarias y puede sobrecargar al transformador a su mxima capacidad. Los tipos K y T han sido preferidos por el sector elctrico durante ms de 20 aos, debido a su fcil manejo mecnico y elctrico. Los fusibles tipo K y T son normalizados segn las normas ANSIC 3742 y los fusibles tipo DUAL y tipo H bajo la norma NEMA SG2 1986

- 19 -

Fusibles limitadores:

7

Los fusibles se definen como dispositivos de sobrecorriente con una parte extrable que se calienta y es destruida cuando pasa una cantidad de corriente prefijada, provocando la apertura del circuito asociado al mismo. Todos los fusible tienen la capacidad de limitar la corriente, pero el trmino "fusibles limitadores" se aplica a fusibles con una accin limitadora mucho ms pronunciada. Estos fusibles son diseados para actuar mucho ms rpido que los fusibles normales, ya que pueden realizar la apertura del circuito en menos de de ciclo a 60 Hz, antes que la magnitud de la corriente de cortocircuito llegue a sus valores mximos. Su principal uso es acompaado de interruptores o contactores de bajo voltaje, para evitar su destruccin cuando las magnitudes de la corriente de falla superen la capacidad de interrupcin de los mismos. 8

Rels de sobrecorriente:

El rel de sobrecorriente combinado con contactores se utiliza bsicamente, para la proteccin de motores asincrnicos trifsicos, con rotor en cortocircuito. Su curva de respuesta responde exactamente a la imagen trmica de los motores, lo cual lo hacen aptos para proteger motores de seguridad aumentada. Con la adecuada utilizacin y un buen ajuste de un rel de sobrecorriente se busca proteger al motor contra eventualidades del tipo de:

Fallos mecnicos de los rodamientos y ejes. Rotor bloqueado al arranque o en marcha por un excesivo torque. Sobre/bajo voltaje por deficiencias en el conexionado o en la red.

7 8

Fuente: Desarrollo de un software para estudios de cortocircuito en sistemas elctricos comerciales e industriales [13] Fuente: Recopilacin de las Sntesis de Investigacin. CT-422. Prof. Elmer Sorrentino. [14]

- 20 -

Sobreintensidad debida a sobrecarga mecnica. Falta de una de las fases. Sobrecalentamiento dentro del motor. Falta de ventilacin. Utilizacin de una proteccin inadecuada y/o un mal ajuste.

Protegiendo un motor de esta forma, se consigue eliminar el factor riesgo de mal funcionamiento y averas, evitando costosas paradas de procesos y reparaciones. Por ello es muy importante seleccionar y ajustar adecuadamente un rel de sobrecorriente. Est admitido de forma generalizada que el sistema de proteccin de motores por medio de rels trmicos bimetlicos tiene deficiencias y no realiza la funcin de proteccin de forma fiable y segura. Como solucin de este problema, la mayora de los fabricantes han desarrollado Rels Electrnicos que basados en una avanzada tecnologa, modelan matemticamente la imagen trmica de cualquier motor, proporcionando una segura y eficaz proteccin contra: Sobreintensidades. Sobretemperaturas dentro del motor. Optimizacin del rendimiento del motor. Arranque idneo para cualquier tipo de motor.

Los rels de sobrecarga o sobrecorriente electrnicos, tienen curva de respuesta de elevada exactitud y precisin de escala. Adems su bajo consumo lo hace un elemento muy econmico durante el servicio que permite recuperar la inversin de un mayor costo inicial en slo dos aos de operacin.

- 21 -

Interruptores termomagnticos (caja moldeada):

9

Son dispositivos diseados para abrir o cerrar un circuito elctrico manualmente y para abrir dicho circuito automticamente cuando circula por l un valor predeterminado de sobrecorriente (sobrecarga o cortocircuito). Estos interruptores son muy utilizados para la proteccin de sobrecorriente en sistemas elctricos industriales y en edificios. Estos interruptores, como su nombre lo indica, poseen dos acciones de disparo, una trmica y otra magntica. La accin de disparo trmica (proteccin contra sobrecargas), se obtiene a base del empleo de un dispositivo bimetlico que se calienta al circular por l la corriente. La curva de operacin de la accin trmica se conoce como "curva de corriente de tiempo inverso" ya que el dispositivo bimetlico acta ms rpidamente mientras mayor sea la corriente de sobrecarga. La accin de disparo magntica (proteccin contra cortocircuitos), se obtiene al conectar un electroimn en serie con el dispositivo bimetlico. Cuando ocurre un cortocircuito, la corriente activa al electroimn, abriendo los contactos del interruptor instantneamente (menos de un ciclo). Para distintas aplicaciones del interruptor Termomagntico existen distintas curvas Tiempo-corriente entre las cuales se encuentran: Una curva que se caracteriza por tener un tiempo de disparo del magntico corto, es decir impide el paso mediante su apertura de cortocircuitos de muy bajo valor y se usa para circuitos de control. Su corriente de operacin del magntico est entre los 1.3 y 1.5 la corriente nominal. Una curva que es el de uso ms comn inclinndose mayoritariamente a las protecciones de lneas. Su corriente de operacin del magntico est entre las 5 y 10 veces la corriente nominal.

9

Fuente: Desarrollo de un software para estudios de cortocircuito en sistemas elctricos comerciales e industriales [13] Recopilacin de las Sntesis de Investigacin. CT-422. Prof. Elmer Sorrentino. [14]

- 22 -

Y otra curva que indica que el dispositivo permite el paso de elevadas corrientes en un tiempo relativamente corto, lo que hace a este tipo de interruptor ideal para la proteccin de equipos que requieran una alta corriente de arranque, es decir sobre intensidad en los pequeos tiempos iniciales tales como transformadores y motores. Permiten el paso de corrientes entre 10 y 20 veces la corriente nominal en la parte magntica de la curva.

Interruptores de potencia con unidades de disparo (rels) de estado slido:

Este conjunto se usa cuando los niveles de corriente no permiten el uso de dispositivos de accin directa. El conjunto requiere elementos de muestreo (transformadores de corriente) y elementos de control para el disparo del interruptor. Generalmente se emplean en los interruptores principales de las subestaciones o en interruptores para alimentadores de importancia. Los rels de estado slido presentan bastante exactitud en los umbrales de disparo y tienen curvas de operacin ajustables segn la necesidad. Generalmente estas unidades de disparo incluyen las siguientes funciones: Disparo instantneo: el interruptor opera inmediatamente al ocurrir la falla. Se utiliza para zonas del circuito donde los cortocircuitos deben despejarse en forma rpida para evitar daos. Curva de retardo largo (L.T.D.): se utiliza para limitar las sobrecargas en el orden de segundos a minutos. Curva de retardo corto (S.T.D.): se provoca un retardo intencional de pocos ciclos de corriente con la finalidad de lograr coordinacin con protecciones aguas abajo. Falla a tierra: se fija el umbral de corriente y el tiempo de retardo para la operacin del interruptor en caso de cortocircuitos monofsicos. Para sensar las corrientes de falla a tierra generalmente se colocan los transformadores de corriente en conexin residual que detectan el flujo de corriente por tierra (el rel sensa la suma fasorial de las

- 23 -

corrientes de fases ms la del neutro por medio de la conexin en estrella de los transformadores de corriente. En condiciones normales la suma fasorial es cero). Esta funcin debe tener un ajuste en corriente y tiempo coordinado con protecciones falla a tierra aguas abajo.

Interruptores en Caja Moldeada General Electric

Los interruptores termomagnticos GE en caja moldeada son aparatos o dispositivos empleados en maniobras y sistemas de proteccin para Baja Tensin. Se presentan en versiones unipolares, bipolares, tripolares y tetrapolares, con rangos de corrientes entre 15 y 2500 A, segn las Normas IEC 947-2 y NEMA. Especficamente se presenta en dos lneas o modelos: Lnea C: Ocupan menos espacio que otros interruptores de caracterstica similares, y poseen una alta confiabilidad. Trabajan con tensiones de 250 V en DC, y 220-690 V en AC; y con corrientes que van desde 16 hasta 2500 A. Las protecciones trmicas y magnticas pueden ser fijas, ajustadas o combinadas entre ellas; aunque tambin existe una modalidad electrnica, pero slo para frames K (existen frames F, J, K, L, N y R). Estos modelos presentan capacidades de cortocircuito superiores a 40 kA, en tres valores 40 kA, 70 kA y 100 kA. Lnea Universal: Representan la versin econmica de la Lnea C, y son utilizados para proyectos ms econmicos. Su capacidad de cortocircuito es mucho menor, no presenta la opcin electrnica, y la nica proteccin ajustable es la magntica (esto indica que la proteccin trmica es fija). Son de tipo uni, bi y tripolares, con tensiones de 220 V a 440 V en AC.

- 24 -

3.4. Coordinacin de protecciones.

10

Es la operacin selectiva de los diferentes dispositivos de proteccin, de manera que stos acten en secuencia, permitan la localizacin de las condiciones de falla y se saque de servicio solamente la parte del circuito afectada. La coordinacin se realiza ms fcilmente si las caractersticas tiempo-corriente de los diferentes dispositivos son dibujadas en papel log - log (logartmico). Las grficas en papel se deben hacer a un slo nivel de tensin y se muestra, en un par de ejes (corriente y tiempo), el perodo de tiempo que tarda en operar cada dispositivo cuando la corriente es igual al valor seleccionado. El tiempo igual a cero se considera como el momento en que ocurre la falla. Estas representaciones de las caractersticas de los rels de sobrecorriente, fusibles, interruptores termomagnticos y otros dispositivos, ayudan en la eleccin del equipo correcto y la selectividad deseada. Los pasos generales que se deben seguir para un estudio de coordinacin de protecciones, son los siguientes: 1. Recopilar la informacin necesaria sobre el sistema elctrico a proteger, indicando las caractersticas de todos los elementos del sistema en el diagrama unifilar. 2. Determinar los valores mximos de carga, de acuerdo a la capacidad nominal del circuito protegido. 3. Calcular las corrientes de cortocircuito mximas y mnimas en los puntos de inters del sistema. Esta informacin es bsica para realizar la coordinacin.

10

Fuente: Apuntes de Proteccin de Sistemas Elctricos de Baja y Media Tensin. Prof. Luis Prez Jimnez. [15]

- 25 -

4. Recopilar y seleccionar informacin tcnica sobre los equipos de proteccin existentes o que se instalarn en el sistema elctrico, entre ellas las curvas caractersticas de tiempo-corriente de cada dispositivo de proteccin, curvas de dao de cables, transformadores y cualquier otro equipo a proteger. Esta informacin generalmente la suministra el fabricante. 5. Recopilar y seleccionar las caractersticas y rangos de ajustes de los equipos de proteccin utilizados o utilizables para la proteccin del sistema elctrico en cuestin, deben cumplir con las exigencias bsicas del circuito a proteger y las normas existentes para tal fin. Esta informacin es suministrada por el fabricante de los equipos. 6. Seleccionar y ubicar los equipos de proteccin a utilizar en el sistema. Si se trata de un sistema en operacin deber estudiarse la posibilidad de sustituir algn equipo de proteccin en caso de que este no cumpla con los criterios y normas mnimas. 7. Establecer criterios de coordinacin. Se debe tener esta informacin totalmente clara, puesto que no se debe caer en contradicciones en el proceso de coordinacin. Los criterios debern ser totalmente congruentes y deben tener siempre una explicacin clara del por qu fue seleccionado este y no otro. 8. Realizar la coordinacin de los equipos desde la carga hacia la fuente, es lo ms lgico en los sistemas elctricos radiales. Se debe escoger las caractersticas de operacin y ajuste de los dispositivos de proteccin de modo que exista selectividad. Toda esta informacin deber ser resumida en grficos tiempocorriente (en papel logartmico) para verificar el cumplimiento de los requerimientos de proteccin y coordinacin.

- 26 -

CAPTULO 4DESCRIPCIN DEL EDIFICIO BANCARIO BAJO ESTUDIO

4.1. Descripcin del sistema elctrico. El complejo bancario est formado por 11 pisos incluyendo el stano y la azotea. En la azotea se encuentran los generadores y en el stano se encuentran las acometidas principales de la EDC. El suministro de energa lo realiza la EDC por medio de dos acometidas a 12,47 kV c/u con Nivel de Cortocircuito trifsico de 370 MVA. La energa es distribuida en forma radial a travs de toda la edificacin por medio de un sistema de barras trifsicas con tensin y corriente nominal de 480 V y 2500 A respectivamente, que alimentan una serie de tableros a 480 V. La alimentacin primaria recibida de la EDC, se distribuye a partir de una subestacin principal que alimenta a dos barras principales trifsicas en 480 V. La Fig. 4.1.1 muestra el arreglo unifilar. Estas dos barras se alimentan de la EDC por medio de transformadores de 2000 kVA con relacin de transformacin 12.47kV/480V, y son las encargadas de suplirle energa a un potente sistema de aire acondicionado conformado por bombas de aguas y grandes motores de induccin (Chillers de alta capacidad). Adicionalmente, estas barras distribuyen toda la energa elctrica en los 11 pisos del edificio por medio de tableros principales a 480/277V que alimentan a una serie de tableros de distribucin a 208/120V, los cuales se reparten a lo largo de toda la extensin del edificio. El edifico bancario adems de estar alimentado por dos acometidas de la EDC, tambin posee tres generadores de 500 kW c/u que respaldan el servicio elctrico en caso de que la EDC suspenda el suministro de energa. Estos generadores tambin son

- 27 -

utilizados frecuentemente para disminuir el consumo de energa comprada a la EDC. (Condicin de Absorcin de picos). El sistema elctrico de este edificio est diseado para garantizar un servicio confiable y seguro a las oficinas que en l residen. Para ello, el sistema se encuentra respaldado por una barra llamada Barra de Emergencia Respaldo, la cual est desenergizada en la condicin normal de operacin del sistema y entra en funcionamiento en caso de producirse una falla en la Barra de Emergencia. A este sistema selectivo de barras se encuentran conectadas las cargas ms importante del edificio como son: UPSs, servidores, computadores y algunas luminarias. Existe otra barra principal en el sistema, llamada Barra Normal. A esta barra se encuentran conectadas cargas de menor importancia para el edificio (luminarias y tomacorrientes). A diferencia de la Barra de Emergencia, esta barra no cuenta con una barra que respalde su servicio. Este edificio cuenta con una serie de UPSs, los cuales se encuentran conectados al sistema selectivo de barras. Ellos respaldan el servicio elctrico por perodos limitados de tiempo en caso de ocurrir fallas que ocasionen la salida inmediata de la Barra de Emergencia y la Barra de Emergencia Respaldo. En la mayora de los pisos del edificio existen UPSs de 30 kVA u 80 kVA, segn la carga que se desee respaldar. A ellos se encuentran conectados tableros de tomacorrientes, exclusivamente para computadores, y algunos tableros de iluminacin. El piso crtico de este edificio es el Piso 14. En esta rea existen dos UPSs de 80 kVA y 480 V que respaldan un complejo sistema de informacin de servidores y redes de comunicacin. El edificio que se estudia en este proyecto utiliza un sistema de distribucin elctrica por barras, forma prctica, funcional, y econmica de transportar y distribuir energa elctrica en la edificacin.

- 28 -

El sistema transporta la energa elctrica desde la subestacin de transformacin hasta las diversas reas de la edificacin utilizando uno o ms alimentadores centralizados, los cuales a su vez alimentan una serie de cargas o subtableros. Estos tableros se conectan en puntos de derivacin ubicados para tal fin. El sistema sustituye los circuitos ramales por un alimentador centralizado, evitndose conexiones y modificaciones impropias por parte de personal no calificado y logrndose reducir al mnimo la posibilidad de falla. El sistema de distribucin elctrica por barra es la forma ms prctica de disponer energa elctrica en cualquier edificacin o industria ya que permite fcilmente la conexin y desconexin de cualquier carga o subtablero en cualquier parte de las lneas. Dicha accin resulta ser tan simple como conectar o desconectar un tomacorriente. Este sistema resulta ser ms econmico y eficiente que los sistemas tradicionales que transportan cables por bandejas o tuberas, con bajos costos de operacin y mantenimiento, adems de que la diferencia hace ms favorable a las barras a medida que aumentan el nmero de cargas.

En resumen, el sistema de energa de la Entidad Bancaria est formado por los siguientes elementos: 1 Barra Normal, BN-1. 1 Barra de Emergencia, BE-1. 1 Barra de Emergencia Respaldo, BE-2. 2 Transformadores (BN-1 y BE-1) de 2000 kVA, 12,47kV / 480/277V. 2 Acometidas de la EDC a 12,47 kV y NCC3 370 MVA 3 Generadores de 500 kW 625 kVA (dos generadores a gas y uno a diesel) 1 Centro de distribucin de carga, ubicado en la azotea. Principalmente conformado por dos Chillers con dos circuitos c/u de 491 HP Y 384 HP, ocho bombas de aguas de 10 HP, tres bombas de agua 15 HP y una serie de tableros de distribucin que alimentan a cada piso.

- 29 -

Gen2_GAS50 0 kW

Gen3_GAS50 0 kW

Gen4_DIESEL50 0 kW

Bus1

Bus2

Bus3

800 A

800 A

800 A

B5 -1

B5-2

B5-3

B5-1Cab le1

B5-2Cab le2

B5-3Cable3

Bus4_T-PEM0 .48 kV

Bus 4

B530 00 A

B5Z1 Bu s5

480 V

Bus60 .48 kV

Bus 6

480 V16 00 A 25 00 A

B42500 A

B630 00 A

B6

Bus 7 B10Z325 00 A

480 V

Bus7_T-PCIT0 .48 kV

B4100 A 100 A 100 A

B8

B7

B7Z2

25 00 A

B10

B11

1 50 A

1 00 A

reser_1 T-SAUX

T-PN-PT

Z4

Reser_2

T X _1 -P er SAU PN es R TT-

T-PEM-PT

B8

B11

T-PEM-PT

res er_2

16 00 A

B9

B9Bus16_CCM-A0 .48 kV

Bus 16_CCM-B600 A 600 A 25 A 25 A 20 A

480 V20 A 20 A

Bus8_CCM-B0 .48 kV

225 A

CB14 T-PN-20,2138.8 kVA

CO NT1100 A

Piso_20,21

CO NT2100 A

Bus 16_CCM-A600 A 600 A 25 A 20 A

Net_20,21 CONT3125 A

20 A

175 A

CB6

CB7

CB8

CB9

CB10

CB11

CB 12

CB 13

CB15 T-P N- 19225 A 25.6 kVA

Piso_19 CONT4125 A

20 A

20 A

20 A

B12

B13

CB1.1

CB2

CB3

CB4

CB5

Barra de Emergencia

Net_ 19 CONT5100 A

CB16

Piso_18 CONT6100 A

B12 B13Bomba Secundaria #136 6 kW 28 6 kW 15 HP 10 HP

Bomba Secundaria #6

Bomb Secun a daria #7

Bomba Secun daria # 5


Cto.No2. il r#2 Ch le

Cto.No1.Chille r#2

Cto.No1.Chiller#1

36 6 kW

28 6 kW

15 HP

15 HP

10 HP

10 HP

10 HP

10 HP 225 A

Bomb Secun a daria #2

Net_ 18 CONT7100 A

Cto.No2.Chiller#1

37.5 kVA

10 HP

10 HP

Bomba Secundaria #4


Bomba Principal # 3

Bomba Principal #1

Bomb Principal # a 2

T-P N- 18

CN1 Chiller 2. 491 HP


BP 15HP

BP 15HP

BS 10HP

BS 10HP

BS 10HP

BS 10HP


CB17 T-P N- 1740 kVA 225 A


Piso_17 CONT8100 A

BP 15HP

BS 10HP

BS 10HP

BS 10HP

480 V10 H P

Net_ 17 CONT910 0 A

CB18 T-P N- 16

Piso_16 CONT10100 A

Barra Normal

40 kVA 225 A

Net_ 16 CONT12 Piso_15 CONT1160 A 60 A

CB19 T-P N- 1550 kVA 400 A


CB20

Bus12_Emergencia

33.5 kVA 150 A


CB21

Bus9_Normal

T-P N- 130.48 kV20 kVA 100 A

CB22 T-P N- 126 .3 k VA 150 A

CONT17 Piso_12 CONT18200 A 200 A

Net_ 12

480 V

480 V

CB23 T-P N- 1120.6 kVA

CONT20200 A

Piso_11 CONT19200 A

480 V

Net_ 11

B. Emergencia Respaldo

Z5

Z6

B325 00 A

Bus10

Bus13

480 V

B3

480 VB225 00 A

B1 B125 00 A

B2TRX22000 kVA

Y=Bus11 CBAT1800 A

TRX120 00 kVA

Y=Bu s14 CB AT2800 A

TRX 1 2000 kVA

TRX 2 2000 kVA

Acometida # 1 370 MVAcc

12,47 kV370 MVAsc

12,47 kV

Acometida # 2 370 MVAcc370 MV Asc

ACOMETIDA#1_AT_EDC

ACOMETIDA#2_AT_EDC

Figura # 4.1.1DIAGRAMA UNIFILAR

0.48 kV

0.48 kV

Net_ 13

Bus15_E.Respaldo

T-P N- 14

BS 10HP

- 30 -

Funcionamiento: Normalmente el sistema se encuentra operando con uno de los dos Chillers que posee el edificio, cuatro de las ocho bombas para la circulacin de agua por las tuberas que recorren al edificio (para garantizar el sistema de enfriamiento del aire acondicionado) y una bomba principal en el cuarto de Chillers. El funcionamiento del sistema elctrico del edificio puede variar segn sea el caso. Por Ej.: existe un grupo de interruptores de potencia que protege al circuito. Estos se encuentran normalmente abiertos o cerrados segn sea la ubicacin y la funcin del interruptor. La maniobra de estos interruptores la realiza automticamente un sistema de control automatizado que da la seal de apertura o cierre a los interruptores de acuerdo a la situacin en la que se encuentre el sistema elctrico del edificio. Los casos ms frecuentes y comunes de operacin son los siguientes:

CASO 1. Normal con Chiller 1: es la modalidad en la cual el sistema se encuentra normalmente operando. El sistema alimenta las cargas regulares de cada piso del edificio y un Chiller, al cual tambin se asocian cuatro bombas de 10 HP y una de 15 HP (ver Figura # Ap4.1). La alimentacin al edificio es realizada por dos acometidas de la EDC. En esta situacin los tres generadores se encuentran apagados y los interruptores B3, B4, B5 y B11 se encuentran normalmente abiertos. En esta condicin, la acometida # 1 de la EDC alimenta la Barra Normal del edificio y dos bombas de aguas de 10 HP c/u, y la acometida # 2 alimenta la Barra de Emergencia (a la cual se encuentran conectadas las cargas de mayor importancia por piso), los dos motores de induccin que conforman el Chiller 1, dos bombas de agua de 10 HP y una de 15 HP. Como se muestra en la Figura # Ap4.1, el sistema de generadores est aislado mediante el interruptor B5, el cual se encuentra normalmente abierto, la Barra de Emergencia Respaldo se encuentra alimentada por el interruptor B11, que se

- 31 -

encuentra normalmente abierto, y las dos acometidas alimentan de forma independiente al edificio ya que los interruptores B4 y B3 tambin estn normalmente abiertos. Normal con Chiller 2: en esta modalidad el sistema de opera forma similar al caso anterior. La diferencia que existe es que el sistema de aire acondicionado se encuentra operando con dos motores de induccin del Chiller 2. Es decir, los interruptores B12 y B13 se encuentran abiertos y los dos interruptores asociados al Chiller 2 se encuentran cerrados (CB6 Y CB7). Adicionalmente, se puede o no apagar la bomba principal del caso anterior, en caso de ser apagada se enciende una de las bombas principales conectadas al Bus8_CCM-B, resultando as un sistema simtrico al del caso anterior (ver Figura # Ap4.2).

CASO 2. Absorcin de picos: La carga de Chillers representa la mayor carga y el mayor consumo de electricidad del edificio, lo cual ocasiona un pago considerable de energa. Para reducir en gran parte el consumo de energa comprada a la EDC, la carga que representa el Chiller # 1, dos bombas de 10 HP y una bomba de 15 HP es alimentada a travs de los dos generadores a gas mediante el cierre del interruptor B5 y la apertura del interruptor B6. Con esto se logra alimentar la carga del Chiller # 1 con generador del edificio y el resto de la carga con las dos acometidas de la EDC (ver Figura # Ap4.3).

CASO 3. El transformador de 2000 kVA de la acometida # 1 falla: asumiendo que el sistema se encuentra operando en la condicin normal antes de que ocurra una falla que suspenda el servicio de la acometida # 1 de la EDC, bien sea una falla en el transformador de 2000 kVA o una falla en la propia acometida, el interruptor B1 abre. El interruptor B4 que est normalmente abierto es accionado y se cierra, quedando as el edificio

- 32 -

alimentado por una sola acometida de la EDC la cual est en capacidad de alimentar la carga normal del edificio. El interruptor B3 es una proteccin de respaldo al interruptor B4, es decir, en caso de que ocurra un desperfecto en el interruptor B4, el interruptor B3 ser accionado para cerrar el circuito y lograr la alimentacin de la Barra Normal por la acometida # 2 (ver Figura # Ap4.4). El transformador de 2000 kVA de la acometida # 2 falla: en este caso es el transformador asociado a la acometida # 2 el que falla, o en su defecto, la propia acometida. El sistema opera de igual forma que en el caso anterior. Ante esta condicin de falla el interruptor B4 recibe una seal, es accionado, se cierra y nuevamente el edificio queda alimentado por una sola acometida de la EDC. El interruptor B3 sigue siendo la proteccin respaldo del interruptor B4 (ver Figura # Ap4.5).

CASO 4. Falla total. Primera etapa: en esta modalidad las dos acometidas de la EDC fallan, quedando el edificio sin alimentacin externa. Asumiendo la condicin normal del sistema, los interruptores B1, B2, B7, B8, B12 y B13 se abren, quedando la carga del Chiller 1 aislada del resto de la carga del edificio. A continuacin un generador a gas se enciende y una vez sincronizado a la red se cierra el interruptor B5. Aproximadamente 60 seg. despus se sincroniza el segundo generador a gas para conectarlo a la red. El generador a diesel permanece en stand-by para respaldar al servicio elctrico de los otros dos generadores (ver Figura # Ap4.6). Falla total. Segunda etapa: despus de aproximadamente 120 segundos, se cierran los interruptores B4, B7, B12. Parte de la carga del Chiller 1 vuelve a entrar en el sistema, debido a que slo es encendido el circuito 1 del Chiller 1, quedando de esta forma el circuito 2 del Chiller 1 apagado y la demanda normal del edificio reducida y suplida por los dos generadores a gas (ver Figura # Ap4.7).

- 33 -

CASO 5. Falla en la Barra de Emergencia: esta barra alimenta algunas luminarias y tomacorrientes en cada piso, 6 UPSs de 30 kVA y 4 UPSs de 80 kVA los cuales sirven principalmente computadores de oficina, el sistema de comunicaciones y la red bancaria. En caso de que esta barra falle, los interruptores B10 y B2 se abren, los interruptores B4 y B11 se cierran, entrando en funcionamiento la Barra de Emergencia Respaldo y los contactores asociados a ella (al presenciar tensin en sus contactos de fuerza) se cierran, restablecindose el servicio a las cargas que se encontraban conectadas a la Barra de Emergencia. Este evento puede ocurrir en cualquiera de los casos anteriores (ver Figura # Ap4.8).

4.2. Descripcin del sistema y equipos de proteccin. El sistema de protecciones de baja tensin diseado para este edificio est conformado principalmente por interruptores termomagnticos de caja moldeada General Electric de 208 y 480 V. El sistema tiene once interruptores de potencia de 480 V y corriente nominal entre 1600 y 2500 A. Estos son los responsables de la energizacin y desenergizacin de las principales barras de potencia (modelo Power Break II. General Electric). Adicionalmente existen tres interruptores de potencia de 800 A a 480 V, los cuales protegen a cada uno de los tres generadores. El resto del sistema elctrico del edificio consta de interruptores pequeos de caja moldeada entre 100 y 500 A a 480 V, en su mayora del fabricante General Electric, ubicados en los tableros principales de cada piso del edificio. Los interruptores de potencia Power Break II, protegen las principales barras del sistema, por lo que se desea que sean las ltimas protecciones en operar en caso de fallas en las diferentes reas o pisos del edificio.

- 34 -

La operacin de estas protecciones debe ser el producto de una falla severa en cualquiera de las barras principales. En caso de falla en un circuito ramal debe actuar la proteccin del circuito y no el interruptor principal con la finalidad de obtener selectividad. En cada piso del edificio hay dos tableros principales de 480 V, uno se alimenta de la Barra Normal y otro de la Barra de Emergencia. Cada uno de estos tableros tiene un interruptor principal de caja moldeada con una unidad de disparo Trip Unit en la que se ajusta la corriente nominal del interruptor. sta posee curvas caractersticas tiempocorriente no ajustables. El instantneo en cambio es ajustable. La distribucin de energa en el edificio se realiza por medio de un sistema de barras a 480 V que alimenta los tableros principales de 480/277 V y a travs de transformadores de 25 y 45 kVA tipo seco con relacin de transformacin de 480/208-120 V. Por medio de conductores que no sobrepasan los 10 metros de longitud se derivan una serie de tableros de distribucin de 208-120 V. Todos estos tableros, transformadores, barras principales, canalizaciones y bandejas se encuentran en cuartos elctricos ubicados en cada piso. El Power Break II es la unidad de caja moldeada que se responsabiliza por la energizacin y desenergizacin del sistema elctrico del edificio en condicin de falla o maniobra. Este interruptor de la compaa General Electric es empleado en sistemas de potencia que manejan niveles de tensin hasta de 600 V. El Power Break II est aprobado y certificado por la UL, CSA, y la IEC, y maneja capacidades de interrupcin hasta de 200 kA a 240 V. Est diseado para rangos de corriente nominal entre 800 y 4000 A. Adems es un interruptor con aislamiento reforzado, de fcil instalacin y con un mdulo removible de programacin para el ajuste digital. Es posible ajustarle el retardo largo de tiempo, la temporizacin del retardo largo del tiempo, el retardo corto de tiempo, la temporizacin del retardo corto de tiempo, el instantneo y la unidad de falla monofsica a tierra. Las curvas caractersticas de este interruptor se muestran en

- 35 -

el Apndice 3. TABLAS CARACTERSTICAS Y CURVAS TIEMPO CORRIENTE DE LOS INTERRUPTORES POWER BREAK II, Figura # Ap3.1 y Figura # Ap3.2. Como se mencion anteriormente no se ha realizado un estudio de niveles de cortocircuito y/o coordinacin de protecciones que justifique el ajuste de cada interruptor. Los ajustes que residen actualmente en estos interruptores han sido colocados despus de simples experiencias laborales, fundamentalmente pruebas y ensayos llevados a cabo por personas familiarizadas con el funcionamiento del circuito y los interruptores de potencia. No se ha realizado un estudio sobre la operacin de estos dispositivos en conjunto con los interruptores de menor capacidad ubicados aguas abajo de los interruptores de potencia. Los equipos de proteccin que se encuentran instalados en este edificio son interruptores en excelente estado fsico, relativamente nuevos y en buenas condiciones, por lo que ajustarlos logrando una buena coordinacin entre ellos respalda y garantiza su buen funcionamiento bajo condiciones de falla en el sistema. Sin embargo, durante el levantamiento se encontraron interruptores en tableros de 480/277 V que tienen capacidades de interrupcin menores a los niveles de cortocircuito en las barras. Por lo tanto es posible que ante una falla monofsica o trifsica en barra, estos interruptores no sean capaces de hacer el respectivo despeje de la corriente de falla en forma segura. Adems, el sistema elctrico de este edificio puede funcionar en condiciones diferentes de operacin, segn sea el caso, por lo que ajustar y coordinar los interruptores de potencia tiene que estar fundamentado en criterios de sensibilidad y selectividad para los distintos casos de funcionamiento del circuito. Es decir, la coordinacin que se debe sugerir tiene que funcionar en la mayora de los casos de operacin del sistema, as que se deben evaluar las condiciones del circuito y los casos ms probables de operacin.

- 36 -

El estudio de coordinacin de protecciones que se realizar en este edificio se basa en una coordinacin radial a partir de los interruptores principales de los tableros de 480/277 V de cada piso, los cuales se alimentan directamente de la Barra Normal y de la Barra de Emergencia, hasta llegar a los interruptores de potencia que tengan enlace directo con la alimentacin. Tambin se tomar en cuenta la coordinacin de estos interruptores con los interruptores de proteccin de bombas y Chillers. Los interruptores de potencia que se encuentran en el sistema son los siguientes (ver Fig. 4.1.1): Interruptor B5-1: es un interruptor normalmente abierto de 800 A. Es el responsable de proteger al Generador 2 (gas) contra corrientes de sobrecarga o de cortocircuito. Recibe la seal de mando remoto para la salida o entrada de este generador en la red. Interruptor B5-2: es un interruptor normalmente abierto de 800 A. Es el responsable de proteger al Generador 3 (gas) contra corrientes de sobrecarga o de cortocircuito y recibe la seal de mando remoto para la salida o entrada de este generador en la red. Interruptor B5-3: al igual que los anteriores, es un interruptor normalmente abierto de 800 A. Es el responsable de proteger al Generador 4 (diesel) contra corrientes de sobrecarga o de cortocircuito y recibe la seal de mando remoto para la salida o entrada de este generador en la red. Interruptor B5: es un interruptor normalmente abierto de 3000 A. Es la proteccin inmediatamente aguas abajo de los interruptores anteriores, as como la proteccin inmediatamente aguas arriba del interruptor B9 durante la condicin de Absorcin de picos (caso 2). Por lo tanto se cierra cuando se incorporan los generadores a la red. Es un interruptor de maniobra. Interruptor B6: este interruptor se encuentra normalmente cerrado, es de 3000 A y es la proteccin inmediatamente aguas arriba del interruptor B9 durante condiciones

- 37 -

normales de operacin (caso 1). Tambin es un interruptor de maniobra y su apertura se realiza cuando se desea alimentar la carga del Chillers 1 con los generadores, es decir en la condicin de Absorcin de picos. Interruptor B9: es un interruptor de 1600 A que se encuentra normalmente cerrado. Es la proteccin principal del Bus16_CCM-A inmediatamente aguas arriba de los interruptores de los circuitos 1 y 2 del Chiller 1 y de las bombas de agua que pertenecen a este Chiller. Interruptor B4: es un interruptor normalmente abierto de 2500 A. Es de maniobra y el cierre de sus contactos se realiza cuando el sistema entra en la condicin de falla de un transformador de 2000 kVA de cualquiera de las dos acometidas, o en la condicin de falla total del sistema (caso 3 y 4). Interruptor B8: es un interruptor de 1600 A que se encuentra normalmente cerrado. Es la proteccin inmediatamente aguas arriba de los interruptores de los circuitos 1 y 2 del Chiller 2 y de las bombas de agua que pertenecen a este Chiller. Interruptor B7: este interruptor est normalmente cerrado, es de 2500 A y es la proteccin principal de la Barra Normal. Interruptor B10: es un interruptor que se encuentra normalmente cerrado, es de 2500 A y es la proteccin principal de la Barra de Emergencia. Este interruptor abre por maniobra en caso de que ocurra una falla en esta barra. Interruptor B11: es un interruptor que se encuentra normalmente abierto, es de 2500 A y es la proteccin principal de la Barra de Emergencia Respaldo. Este interruptor cierra por maniobra en caso de que ocurra una falla en la Barra de Emergencia. Interruptor B3: es un interruptor normalmente abierto de 2500 A de maniobra y de respaldo al interruptor B4.

- 38 -

Interruptor B1: este interruptor se encuentra normalmente cerrado, es de 2500 A y hace enlace directo por medio de un transformador de 2000 kVA con la acometida # 1 de la EDC. Interruptor B2: al igual que el interruptor B1, se encuentra normalmente cerrado, es de 2500 A y hace enlace directo por medio de otro transformador de 2000 kVA con la acometida # 2 de la EDC. Los restantes interruptores son de caja moldeada y de mucho menor capacidad, ms pequeos, con curvas caractersticas tiempo-corriente no ajustables, donde slo es posible ajustar la corriente del instantneo. La mayora de ellos son interruptores principales de tableros de 480 V que alimentan tableros de iluminacin a 208 V, UPSs en 480 V, UMAs en 480 V, tableros de tomacorrientes a 208 V, bombas de agua, etc.

4.2.1. Descripcin del Power Break II. Insulated Case Circuit Breakers.

11

Como se mencion anteriormente, es el interruptor de potencia de caja moldeada instalado en las principales barras del sistema elctrico del edificio. Tiene un rango de corrientes nominales entre 800 y 4000 A y capacidades de interrupcin ante corrientes de cortocircuito simtricas entre 65 y 200 kA rms, segn sea el voltaje de operacin. Los indicadores de control y programacin de estos equipos son muy sencillos de manipular, y poseen aislamiento doble en todos sus componentes, lo que se traduce en alta seguridad y bajos niveles de ocurrencias de accidentes. Estos interruptores utilizan unidades digitales programables adaptadas al monitoreo y control del equipo, y tambin disponen de un teclado fcil y sencillo para su programacin.

11

Fuente: Power Break II Insulated Case Circuit Breakers. Application and Selection. [5]

- 39 -

El Power Break II est habilitado para dos capacidades de interrupcin: Standard Break y Hi-Break. Standard Break: es la utilizada en la mayora de las aplicaciones ya que satisface los requerimientos bsicos necesarios de los niveles de cortocircuitos moderados. Hi-Break: es la utilizada para el trabajo forzado, con altos niveles de interrupcin ante corrientes de cortocircuito simtricas (desde 65 kA a 200 kA rms dependiendo el voltaje de aplicacin). El interruptor de caja moldeada posee una manilla para la operacin manual, la cual es utilizada para la carga del resorte que permitir el cierre de los contactos. Cada movimiento manual y completo se traduce en un nivel de precarga para el resorte. Una vez cargado el resorte, se debe presionar el botn ON para cerrar los contactos. Si luego se desea abrir los contactos del interruptor se debe presionar el botn OFF.

Funciones estndar y opcionales del sistema de proteccin: Las funciones de proteccin del sistema MicroVersaTrip Plus del Power Break II se muestran a continuacin: X (valor de corriente de la unidad de disparo del interruptor), S (valor de la corriente del sensor) C (umbral del retardo largo de tiempo) y H (umbral del retardo corto de tiempo). Ajustes y funciones estndar: Trifsico con 2% precisin en la medida. Ajuste del umbral de la funcin retardo largo de tiempo RLT (long-time pickup L): 0.5 1.0X, con cuatro bandas para la temporizacin. Ajuste del instantneo I : 1.5 10X Indicadores de aviso de sobrecarga cortocircuito.

- 40 -

Verificacin y chequeo de la unidad de disparo Trip Unit.

Ajustes y funciones opcionales: Ajuste del umbral de la funcin de retardo corto de tiempo (RCT) (short-time pickup S): 1.5 - 9.0C, con tres bandas para la temporizacin (I2t ON / OFF). Ajuste del umbral de la unidad de falla a tierra G (Ground Fault pickup): 0.2 0.37S, con tres bandas para la temporizacin (I2t ON / OF). Proteccin de falla a tierra. Selectividad en la zona de coordinacin.

Ajuste del umbral del RLT (long-time pick-up). Funcin Estndar. El ajuste del umbral del RLT se realiza en mltiplos de X, quedando X fijada por la unidad de disparo Trip Unit seleccionada. El ajuste se realiza desde 0.5 a 1 en pasos de 0.05 y su valor o ajuste define el valor de C. Por Ej., para una unidad de disparo Trip Unit de 500 A y un ajuste del RLT en 95%, C queda definido como: C = 0.95x(X) = 0.95x(500A) = 475 A (ver Fig. 4.2.1.1).

Figura # 4.2.1.1AJUSTE DEL UMBRAL DE CORRIENTE DE LA FUNCIN RLT

- 41 -

Ajuste de la temporizacin del RLT (long-time Delay). Funcin Estndar. El ajuste de la temporizacin del RLT se realiza con la finalidad de permitir el paso de altas corrientes en cortos intervalos de tiempo. Este ajuste tiene 4 bandas, por Ej., durante el arranque de motores, las bandas se seleccionan segn el valor de dichas corriente de arranque (ver Fig. 4.2.1.2).

Figura # 4.2.1.2AJUSTE DE LA TEMPORIZACIN DE LA FUNCIN RLT

Ajuste del umbral del RCT (short-time pick-up). Funcin Opcional

corto circuito

Documents

Transcript of corto circuito