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�"Protecciones

de

las

Líneas

Eléctricas "

Indice

1.- Generalidades

2.- Relés de protección.

2.1.- Tipos de relé de protección y vigilancia de líneas y redes.

2.1.1.- Relé de intensidad.

2.1.2.- Relés de tensión.

2.1.3.- Rele de vigilancia de contacto a tierra.

2.1.4.- Relé diferencial.

2.1.5.- Relé de distancias.

3.- Protección contra sobrecargas.

4.- Corrientes de cortocircuito.

4.1.- Clases de cortocircuitos.

4.2.- Calculo de intensidad de cortocircuito ( Icc).

5.- Protección de instalaciones contra cortocircuitos.

5.1.- Interruptor automáticos de potencia.

5.2.- Interruptor de potencia de alta tensión.

5.2.1.-Apertura de contactos de un interruptor de potencia.

5.2.2.- Interruptor en baño de aceite.

5.2.3.-Interruptor de pequeño volumen de aceite.

5.2.4.- Interruptores de gas a presión

5.3.- Fusibles.

6.- Sobretensiones.

6.1.- Sobretensiones externas.

6.2.- Sobretensiones internas.

6.2.1.- Sobretensiones de maniobra.

6.2.2.- Sobretensiones de puesta a tierra.

6.2.3.- Sobretensiones a la frecuencia de servicio.

6.2.4.- Sobretensiones de puesta en servicio de líneas.

7.- Protección de líneas eléctricas contra sobretensiones.

7.1.- Dispositivos y aparatos de potencia.

8.- Pararrayos.

8.1.- Pararrayos - autovalvulas.

8.2.- Características de un pararrayos - autovalvulas.

8.3.- Elección de un pararrayos.

8.4.- Montaje.

1.- Generalidades

La seguridad en el suministro de energía eléctrica desde la central al punto de consumo depende, en gran parte, del grado de protección previsto en las subestaciones y líneas intermedias. Una línea eléctrica bebe estar protegida contra sobreintensidades, cortocircuitos y sobretensiones.

2.- Relés de protección.

Los reles de protección son derivados de los reles de medición, los cuales por su funcionamiento rápido y automático, hacen posible la agrupación.

Los reles de protección deben reponder a diversas exigencias :

- Consumo propio reducido.

- Sensibilidad.

- Capacidad de soportar cortocircuitos sin deformarse.

- Exactitud de los valores de funcionamiento.

- Indicación de los valores de funcionamiento mediante señales ópticas.

- Posibilidad de transmisión de los valores medidos para la indicación a distancia.

El funcionamiento general de los reles de protección es tal que, al sobrepasar o descender por debajo de un valor de la magnitud de acción que ellos vigilan, hace dispararse al interruptor de potencia.

2.1.- Tipos de relé de protección y vigilancia de líneas y redes.

Según su funcionamiento los reles de protección pueden ser :

- Sobreintensidad.

- Mínima y máxima tensión.

- Vigilancia de contactos a tierra.

- Diferenciales.

- Distancia.

2.1.1.- Relé de intensidad.

El aparato actúa cuando la corriente que circula sobrepasa la corriente nominal. El relé de sobreintensidad no retrasado tiene el mismo funcionamiento pero tiene un contacto auxiliar.

- El relé temporizado de sobreintensidad independiente : es la combinación de reles de tiempo y de intensidad, cuando se detecta una sobreintensidad se pone en funcionamiento el mecanismo de tiempo que es totalmente independiente de la magnitud de la intensidad.

- El rele temporizado de sobre intensidad térmico : este tipo de rele actúa al cabo de unos segundos de producirse la sobrecarga, disminuyendo el tiempo de disparo fuertemente al aumentar la intensidad

2.1.2.- Relés de tensión.

Su comportamiento es similar al rele de sobreintensidad no retardado, distinguiéndose dos tipos:  de mínima y máxima tensión.

- El rele de mínima tensión actúa cuando la tensión de red disminuye a un valor que pudiera ser peligroso para los receptores( < 85 % de V_L ) y que persiste durante cierto tiempo.

- El rele de máxima tensión tiene la misión de evitar la elevación de la tension de red a valores superiores al máximo previsible

- El rele de vigilancia de la tensión trifasica se coloca en redes trifasicas para la vigilancia de las tres tensiones en reles de protección o contadores y así evitar disparos o mediciones erróneas. Generalmente señalan fuertes descensos o la caída de una o varias tensiones.

2.1.3.- Relé de vigilancia de contacto a tierra.

El relé de vigilancia de contacto a tierra tiene la misión de señalizar inmediatamente, en redes sin puestas a tierra del punto estrella, los contactos a tierra que se presenten en la red. Los dispositivos de extinción de contactos a tierra disminuyen la corriente en los puntos de contacto a tierra a una medida no perjudicial, evitando poner inmediatamente fuera de servicio las partes de la línea afectadas por el contacto a tierra

2.1.4.- Relé diferencial.

Tiene la misión de detectar la corriente de defecto de una línea por comparación de las corrientes en sus dos extremos captadas por medio de transformadores de intensidad. Cuando la comparación de corrientes se hace de dos líneas en paralelo, se llama relé diferencial transversal.

2.1.5.- Relé de distancia.

Es un dispositivo que actúa al producirse cortocircuitos en las líneas durante un tiempo que resulta proporcional a la distancia donde se haya producido dicho defecto. Este tipo de protección es el más generalizado en líneas de media y alta tensión

3.- Protección contra sobrecargas.

Este tipo de protecciones suele utilizarse en líneas subterráneas como medida de precaución para evitar el paso de intensidades superiores a las nominales, con el consiguiente peligro para el aislamiento, por causas térmicas. Naturalmente este exceso de intensidad es siempre muy inferior a la corriente de cortocircuito, utilizándose para su prevención dispositivos térmicos o magnéticos, similares a los utilizados el las protecciones de motores. También puede utilizarse fusibles, como dispositivo para interrumpir el paso de corriente. También puede conseguirse una protección eficaz de sobre intensidades con seccionadores en carga combinado con fusibles de apertura rápida y relés térmicos.

4.- Corrientes de cortocircuito.

Debido al constante incremento de producción de energía eléctrica, las corrientes de cortocircuitos, en los sistemas de transporte y distribución actuales alcanzan valores elevados, que en muchos casos pueden afectar gravemente las instalaciones.

La corriente de cortocircuito de una instalación eléctrica, en general, va acompañada, en el momento inicial, de fenómenos transitorios seguidos de una situación permanente. Los efectos básicos del cortocircuito sobre la instalación se pueden resumir en dos :

a) Efecto electrodinamico, debido a la fuerza que aparece en los conductores al ser atravesados por fuertes corrientes y estar bajo campo magnético. El campo magnético lo crea la misma corriente o bien la corriente que circule por los conductores vecinos de la misma o distintas fases. Esta fuerza es proporcional al cuadrado de la intensidad. La fuerza máxima se producirá, por tanto, cuando la corriente tenga el valor máximo.

b) Efecto térmico, debido al calor producido por la intensidad ( Efecto Joule ) y a la capacidad calorifica de la zona donde se haya producido. Dada la escasa duración del cortocircuito, normalmente inferior a 3 s, puede afirmarse que no se produce transmisión de calor al medio que rodea al conductor. Puede tomarse como ecuación de equilibrio térmico aproximada la siguiente :

Q = R• I² • D t

en donde :

R = resistencia ohmica del conductor.

I = intensidad que circula por él.

D t = tiempo de duración del cortocircuito.

Q = capacidad calorifica del cable, que depende de su sección, clase de conductor ( Cu o Al ) y

temperatura máxima admisible.

A partir de la ecuación de equilibrio podrá calcularse la intensidad de cortocircuito máxima que es capaz de soportar el cable. Además de los efecto anteriores, un cortocircuito produce una caída de tensión elevada, que a su vez puede dar lugar a desequilibrios de tensiones y corrientes en la red.

4.1.- Clases de Cortocircuitos.

En las redes trifasicas y neutro a tierra se pueden distinguir :

- Cortocircuto trifásico.

- Cortocircuito entre dos fases sin contacto a tierra, que afecta a dos fases cualquiera

- Cortocircuito entre dos fases con contacto a tierra, que afecta a dos fases y tierra

- Cortocircuito entre fase y tierra, es el caso más normal en las líneas de A. T..

Un cortocircuito equivale a una carga cuya intensidad solo viene limitada por la impedancia de la parte de red afectada.

4.2.- Calculo de la intensidad de cortocircuito ( I cc ).

El cortocircuito trifasico equivale a una carga simétrica de la red ; por tanto, el calculo puede realizarse por fase como si se tratara de una línea normal. Los restantes cortocircuitos son asimétricos y tienen que calcularse por métodos difíciles por lo que se omitirá su resolución.

Los pasos a seguir para la resolución de Icc es el siguiente :

1�.- Determinar la impedancia total del tramo de línea afectada por el cortocircuito.

2�.- Determinar la Icc permanece en el punto considerado.

La impedancia de la línea afectada por el cortocircuito estará formada por circuitos serie o paralelo, o mallas que habían de resolverse y obtener la Z equivalente. Las componentes de la impedancia total serán la resistencia ( Rcc ) y reactancia ( Xcc ) de cortocircuito :

Zcc = Rcc + j • Xcc

�Zcc �=

Normalmente las componentes Rcc y Xcc se expresan en W / Km y suelen darse en los catálogos de fabricantes de cables.

El valor de la corriente de cortocircuito I cc se obtiene a partir de la formula :

V fase V _L

Icc =---------- = ------------

Zcc • Zcc

en donde :

V_L = tensión de línea ( Kv ).

Zcc = impedancia de cortocircuito por fase ( W ).

Icc= Corriente de cortocircuito permanente ( KA ).

A su vez, la potencia de cortocircuito es:

V_L V² _L

Pcc = • V_L • Icc = • V_L • ------------- = ---------

• Zcc Zcc

en donde :

V_L = tensión de línea ( Kv).

Pcc = Potencia de cortocircuito ( MVA ).

5.- Protección de instalaciones contra cortocircuitos.

Tanto en M.T. como en A.T., pueden utilizarse los siguientes dispositivos de protección : 

- Interruptor de potencia automático

- Fusibles.

- Procedimientos mixtos; ejemplo : fusibles - seccionadores en carga, fusibles - interruptor

automático.

5.1.- Interruptor automático de potencia.

Es un aparato mecánico de conexión capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito, así como de establecer, soportar durante un tiempo especificado e interrumpir corrientes en conducciones anormales especificas del circuito tales como el cortocircuito.

Un Interruptor de potencia se llama automático cuando es maniobrado automáticamente mediante relés ( relé temporizador de máxima intensidad, relé térmico directo, relé electrónico de protección de líneas, etc.).

5.2.- Interruptor de potencia de alta tensión.

Los interruptores de potencia de A. T. se utilizan en las redes de suministro de energía eléctrica para unir o separar partes de dichas redes, bien sea en condiciones normales de servicio o en caso de averías. En el caso de producirse avería, el interruptor ha de separar las partes defectuosas de las redes, a ser posible, en el mismo instante de producirse. Las redes están vigiladas por relés de protección, que, en caso de detectar un cortocircuito, envían un impulso de desconexion a los interruptores correspondientes. Es interesante que los reles realicen una protección selectiva, es decir, que eliminen a ser posible, solamente la parte de línea comprendida entre dos interruptores. En las maniobras de servicio, las intensidades que han de cortar los interruptores pueden llegar hasta algunos miles de amperios ; sin embargo en las desconexiones por cortocircuito, las intensidades alcanzan valores muy elevados( 150000 A para media tensión). La elección del interruptor para un caso determinado depende principalmente de su potencia de ruptura, que es la mayor potencia de cortocircuito que puede desconectar dicho interruptor y suele expresarse en MVA.

5.2.1.- Apertura de contactos de un interruptor de potencia.

En los interruptores de C. A. no se interrumpe la corriente en un momento cualquiera, sino que se aprovecha el hecho de que dicha corriente pasa dos veces por cero dentro de cada periodo, es decir 100 veces cada segundo para una frecuencia. Si se intenta interrumpir repentinamente una intensidad muy elevada ( miles de amperios ), se producirían en la red sobretensiones muy elevadas, que , además de perjudicar su aislamiento, formarían un arco entre los contactos abiertos del interruptor, anulando así la maniobra de apertura.

5.2.2.- Interruptor en baño de aceite

Este tipo de interruptor hace tiempo que no se fabrica, dado su elevado volumen y precio.

5.2.3.- Interruptor de pequeño volumen de aceite.

Los interruptores de pequeño volumen de aceite producen por si mismos el fluido extintor aprovechando la energía del arco. El arco origina gases, por evaporación del aceite, que se desplazan en forma de fluido de aceite a través de diversos canales para extinguirlo.

5.2.4.- Interruptores de gas a presión.

Como medio de extinción, utilizan normalmente aire comprimido depositado en un recipiente de acero, siendo el proceso de extinción independiente de la energía del arco y, por tanto, de la corriente que debe interrumpirse. La camara de ruptura de estos interruptores puede ser de tobera metálica o tobera de material aislante. En ambas, el arco se extiende al interior de una tobera en forma de anillo y es rodeado por el aire comprimido, que fluye a gran velocidad en dirección axial y transversal ; normalmente es más utilizada la tobera metálica.

5.3.- Fusibles.

Los fusibles tienen la misión de interrumpir el paso de la corriente en un circuito al aparecer sobreintensidades o corrientes de cortocircuito. La interrupción se realiza por la fusión de un conductor fusible, que normalmente es hilo de plata, que rodea a un soporte aislante y va soldado a las caperuzas externas. Por el efecto de la arena de cuarzo, la extinción del arco se realiza rápidamente, limitando la amplitud del cortocircuito. Normalmente los fusibles de ALTA TENSIóN vienen con dispositivos de señalización o disparo para facilitar la detección de averías.

6.- Sobretensiones.

Sobretensión es toda tensión que puede poner en peligro la existencia o servicio de una instalación eléctrica. A su vez pueden ser de origen externo o interno.

6.1.- Sobretensiones externas.

Tienen su origen en descargas atmosféricas, y una velocidad de propagación próxima a la velocidad de la luz ( 300000 Km / s ). Normalmente las descargas se manifiestan en forma de ondas de frente escarpado, alcanzando su valor medio en el corto espacio de tiempo de 1m s (micro segundo) y disminuyendo el valor a cero en unos 100 m s.

Las sobretensiones de origen externo pueden ser de varios tipos, por :

- Descarga directa sobre la línea ; son las más importantes.

- descargas entre nubes próximas a líneas ( descarga inductiva ).

- Descarga entre líneas y tierra ( descarga indirecta).

- El efecto pantalla de las edificaciones ( descarga reflejada ).

6.2.- Sobretensiones internas.

Tienen su origen en las variaciones de carga en una red, maniobras de desconexion de u interruptor, formación o cese de un fallo a tierra, corte de alimentación a un transformador en vacío, puesta en servicio de línea aérea o subterránea, etc.

6.2.1.- Sobretensiones de maniobra.

Las principales sobretensiones de maniobra se deben a aperturas de interruptores, fusión de un fusible y desconexion de un transformador que funcione en vacío. Este tipo de sobretensiones, tanto por su larga duración como por su elevada frecuencia ( M. F. o A. F. ), influyen considerablemente a la hora de la elección de protecciones como el pararrayos.

6.2.2.- Sobretensiones de puesta a tierra.

Se consideran solo las que forman parte de fenómenos transitorios producidos durante la puesta a tierra e interrupción de la misma. Los arcos que se producen son muy peligrosos y las sobretensiones pueden alcanzar valores de 3,1 veces la tensión nominal entre fases.

6.2.3.- Sobretensiones a la frecuencia de servicio.

Son las originadas en las centrales eléctricas por causa de disminución bruscas de carga en la red que alimentan, al permanecer constante la excitación del alternador, motivando el embalamiento de la turbina. Las sobretensiones alcanzan valores del orden de 1,2 a 1,3 veces la tensión nominal.

6.2.4.- Sobretensiones de puesta en servicio de líneas.

La puesta en servicio de una línea, aérea o subterránea ( cable ), origina una onda estacionaria de corta duración que normalmente se amortigua a lo largo de la red.

7.- Protección de líneas eléctricas contra sobretensiones.

El material de A. T. instalado en las líneas ha de poder soportar los efectos de cualquier sobretension, bien sea de origen externo o interno.

Las sobretensiones que alcanzan valores superiores a las tensiones de ensayo del material

( conductores, aparato, etc. ) son muy peligrosas, tanto por la amplitud de la tensión como por el gradiente de potencial de su frente escarpado. En el calculo de líneas, hay que tener en cuenta los dispositivos para evitar que las sobretensiones puedan dañar las instalaciones.

7.1.- Dispositivos y aparatos de protección.

Los dispositivos y aparatos de protección contra sobretensiones conectados permanentemente a las líneas eléctricas son :

- Cables de tierra : destinados a prevenir ondas de sobretensiones externas y derivarlas a tierra.. Solamente son eficaces en líneas de 1� categoría.

- Puesta a tierra del neutro, bien sea directamente o a través de resistencias o impedancia débiles.

- Pararrayos, que entran en servicio cuando la tensión alcanza un valor superior a la de servicio y comprendidas entre los limites inferior y superior a la tensión de cebado, provocando la descarga a tierra de la corriente que a él llega, a través de las líneas a las que está conectado.

8.- Pararrayos.

El pararrayos tiene una función principal que cumplir, que es la de proteger la instalación eléctrica ( transformador, interruptor, conductores de línea, etc.) contra sobretensiones de origen externo o interno, a la vez que absorbe parte de su energía. Los pararrayos de cuernos ( antenas ) van siendo reemplazados por el tipo autovalvulas, también llamado resistencia valvular y descargador de sobretension.

8.1.- Pararrayos - autoválvula.

Este aparato se compone básicamente de dos partes, el explosor y la resistencia variable unida a él en seria. Cuando la amplitud de una sobretension supera la tensión de cebado del pararrayo, saltan arcos en el explosor y cierran el circuito de A. T. a tierra a través de la resistencias variables. La resistencia variable esta formada por un material conglomerado capaz de variar con rapidez su resistencia eléctrica, disminuyendo su valor cuando mayor sea la tensión aplicada y pasándolo a un elevado valor al reducirse la tensión. Se comporta, pues, el aparato como una válvula, cerrada para la tensión nominal del sistema y abierta para las sobretensiones.

8.2.- Características de pararrayos - autovalvulas.

La eficacia de un pararrayos estará en función de las siguientes características :

1.- Tensión nominal o tensión de extinción ( V_L ) : es el valor más elevado de la tensión eficaz a frecuencia industrial admisible entre bornes del pararrayos

2.- Frecuencia nominal : es el valor de la frecuencia para la que esta previsto el pararrayos.

3.- tensión de cebado a frecuencia industrial : es el valor eficaz de la mínima tensión que, aplicada entre bornas al pararrayos, provoca el cebado de los componentes adecuados del mismo.

4.- Tensión de cebado a la onda de choque : es el valor cresta de la tensión que aparece antes del paso de la corriente de descarga.

5.- Tensión residual : es la tensión que aparece entre el terminal de línea y el terminal de tierra de un pararrayos durante el paso de la corriente de descarga.

6.- Corriente de descarga : es la onda de corriente derivada a tierra por un pararrayos después de un cebado.

8.3.- Elección de un pararrayos.

En la elección de un pararrayos influyen considerablemente las características del tipo de instalación que ha de proteger. Entre los factores que se deben tener en cuenta se pueden citar : altura sobre el nivel del mar, frecuencias anormales, etc.

8.4.-Montaje.

Los pararrayos - autovalvulas de M. T. solo pueden ofrecer una protección segura cuando se montan lo más cerca posible de las partes de instalación que han de protegerse, casi siempre de los transformadores. Es conveniente siempre mantener una resistencia de contacto a tierra lo más pequeña posible.