Introducción
Los Sistemas de Protección se utilizan en los sistemas eléctricos de potencia para evitar la destrucción de equipos o instalaciones por causa de una falla que podría iniciarse de manera simple y después extenderse sin control en forma encadenada. Los sistemas de protección deben aislar la parte donde se ha producido la falla buscando perturbar lo menos posible la red, limitar el daño al equipo fallado, minimizar la posibilidad de un incendio, minimizar el peligro para las personas, minimizar el riesgo de daños de equipos eléctricos adyacentes.
La función principal de un sistema de protección es fundamentalmente la de causar la pronta remoción del servicio cuando algún elemento del sistema de potencia sufre un cortocircuito, o cuando opera de manera anormal. Existe además una función secundaria la cual consiste en proveer indicación de la localización y tipo de falla.
Objetivos de las protecciones Los objetivos generales de un sistema de protección se resumen así:
• Proteger efectivamente a las personas y los equipos.
• Reducir la influencia de las fallas sobre las líneas y los equipos.
• Cubrir de manera ininterrumpida el Sistema de Potencia (SP), estableciendo vigilancia el 100% del tiempo.
• Detectar condiciones de falla monitoreando continuamente las variables del SP Elementos de un equipo de protección Un equipo de protección no es solamente la protección o relé, propiamente dicho, sino que incluye a todos aquellos componentes que permiten detectar, analizar y despejar la falla. Los principales elementos que componen un equipo de protección son:
• Batería de alimentación.
• Transformadores de medida para protección.
• Relé de protección.
• Interruptor automático.
Batería de alimentación La batería de alimentación es el elemento que garantiza la continuidad del suministro de la energía necesaria para el funcionamiento del equipo de protección. La alimentación del equipo de protección no puede realizarse directamente desde la línea. Si así se hiciese, una falla que dejase sin alimentación una subestación, o provocase una defectuosa alimentación de la misma, dejaría también fuera de servicio a todos los equipos de protección ubicados en ella. Ello implicaría graves consecuencias debido a que es precisamente en condiciones de falla cuando un equipo de protección debe actuar.
Por tanto, un equipo de protección debe contar con una fuente de alimentación propia que le permita operar en isla, sin depender de fuentes externas, durante un tiempo suficiente. Generalmente, la batería de corriente continua esta permanente conectada a través de un cargador a la línea de corriente alterna de los servicios auxiliares de la subestación y, en caso de fallo en la línea de c.a, tiene una autonomía del orden de 10 o 12 horas.
Transformadores de medida para protección Los datos de entrada a la protección, o relé, deben reflejar el estado en que se encuentra el SEP.
Aunque existen excepciones, los datos que se utilizan habitualmente son los correspondientes a las magnitudes de tensión e intensidad. Lógicamente, debido a su elevado valor, las tensiones e intensidades existentes en la red no pueden ser utilizadas directamente como señales de entrada al relé, por lo que deben emplearse elementos que las reduzcan a un nivel adecuado. Estos elementos son los transformadores de medida para protección.
Los transformadores de medida reproducen a escala reducida en su secundario la magnitud de elevado valor que alimenta su primario. Para que la información llegue correctamente a la protección es necesario que, además, las conexiones secundarias se realicen respetando los sentidos marcados por los terminales correspondientes de primario y secundario, máxime si se tiene en cuenta que algunos tipos de protecciones son sensibles a la polaridad de la señal que les llega.
El dato proporcionado por los transformadores de medida está afectado por un determinado error.
La clase de precisión es un dato característico de cada transformador de medida que hace referencia al máximo error que puede incorporar la información proporcionada por el transformador cuando funciona dentro de las condiciones para las que se diseña. Cuanto menor sea el valor de la clase de precisión, menor será el error máximo y mayor será la exactitud de los datos obtenidos mediante el transformador.
Los transformadores de medida convencionales proporcionan información fiable cuando trabajan en el rango de valores correspondientes a la operación normal del sistema. Sin embargo, es en condiciones de falla cuando es más necesario que las protecciones reciban datos fiables. Por esta razón, los datos de la red deben ser suministrados a las protecciones mediante transformadores de medida para protección, que son proyectados y construidos para garantizar precisión en las condiciones extremas que se producen cuando ocurre una falla.
En función de la magnitud que transforman, los transformadores de medida para protección pueden ser:
• Transformadores de tensión.
• Transformadores de intensidad.
Los transformadores de tensión tienen el mismo principio de funcionamiento que los transformadores de potencia. Habitualmente, su tensión nominal secundaria es de 110 V en los países europeos y de 120 V en América. Pueden ser del tipo fase-fase, utilizados solamente para tensiones inferiores a 72.5 kV, o del tipo fase-tierra. En los sistemas de transmisión es muy común la utilización de transformadores de tensión capacitivos que, básicamente, consisten en un divisor capacitivo que sirve para reducir la tensión aplicada al primario de un transformador de tensión inductivo convencional. En función de la tensión que se quiera medir, los transformadores de tensión pueden ser conectados según diversos esquemas de conexión.
Los transformadores de intensidad se conectan en serie con el conductor por el que circula la corriente que quiere ser medida. Su intensidad nominal secundaria es usualmente de 5 A, aunque también suele ser utilizada la de 1 A. El mayor peligro para su precisión es que las grandes corrientes que se producen como consecuencia de una falla provoquen su entrada en saturación.
Es muy habitual que los transformadores de intensidad dispongan de varios secundarios con diferentes características, ya que cada secundario tiene su propio núcleo y es independiente de los otros. Un transformador de intensidad que disponga, por ejemplo, de dos secundarios es normal que tenga uno destinado a medida y otro a protección. En función de la intensidad que se quiera medir, los transformadores de intensidad se conectan según diversos esquemas de conexión.
Relé de protección El relé de protección, que usualmente es denominado simplemente relé o protección, es el elemento más importante del equipo de protección. En sentido figurado puede decirse que desempeña la misión de cerebro, ya que es el que recibe la información, la procesa, toma las decisiones y ordena la actuación en uno u otro sentido.
Para realizar todo ello, con independencia de la tecnología empleada para su construcción, una protección desarrolla internamente tres etapas fundamentales:
1. Acondicionamiento de señales.
2. Aplicación de funciones de protección.
3. Lógica de disparo.
Las protecciones necesitan datos que, generalmente, no pueden ser proporcionados directamente por los transformadores de medida que las alimentan. Por esta razón, la primera etapa consiste en acondicionar las señales de entrada al formato que el relé necesita para su funcionamiento.
Normalmente los datos de entrada son los valores instantáneos de las magnitudes de fase (tensión y/o intensidad). A partir de ellos se determinan, en función de las necesidades especificas de cada relé, valores eficaces, valores máximos, componentes de secuencia, armónicos fundamentales o de orden superior, etc.
Una vez que la protección dispone de los datos que necesita procede a aplicar los criterios de decisión que le hayan sido implementados. Los criterios de decisión se construyen mediante funciones básicas de protección que serán explicadas más adelante. El elemento en el que se realiza cada función básica se denomina unidad de medida. El adecuado funcionamiento de una protección, debido a la complejidad y variedad de factores que es necesario tener en cuenta, exige generalmente la incorporación de varias funciones básicas. Por tanto, una protección esta compuesta normalmente por varias unidades de medida.
Los resultados proporcionados por las distintas funciones que integran la protección se analizan conjuntamente mediante la lógica de disparo, que es la responsable de tomar la decisión de cómo debe actuar la protección. Esta actuación se lleva a cabo mediante los circuitos auxiliares de control de los interruptores asociados al funcionamiento de la protección. La orden se transmite a través de los contactos que energizan los circuitos de disparo de los interruptores que hayan sido definidos por la lógica de disparo como aquellos que es necesario abrir para aislar la falla.
Asimismo, la protección gobierna otra serie de circuitos auxiliares de control que sirven, por ejemplo, para activar alarmas, enviar información al despacho central de maniobras, etcétera.
Interruptor automático El interruptor automático es el elemento que permite abrir o cerrar un circuito en tensión, interrumpiendo o estableciendo una circulación de intensidad. Opera bajo el control de la protección y su apertura, coordinada con la de otros interruptores, permite aislar el punto en que se ha producido la falla. Básicamente consta de:
• Circuito de control, que es gobernado por la protección correspondiente.
• Contactos principales, que al separarse o juntarse implican, respectivamente, la apertura o cierre del interruptor.
• Contactos auxiliares, que reflejan el estado en que se encuentra el interruptor. Mediante ellos se realimenta a la protección y a otros equipos con la información de si el interruptor esta abierto o cerrado y, por tanto, permiten conocer si el interruptor ha operado correctamente siguiendo la orden dada por la protección.
• Cámara de extinción, en la que se crea un ambiente de alta rigidez dieléctrica que favorece la extinción del arco que se produce como consecuencia de la separación de los contactos del interruptor que se encuentran inmersos en ella. Como medios dieléctricos más empleados actualmente cabe citar el aceite y el hexafluoruro de azufre.
Desde el punto de vista de la protección, con independencia de la tecnología empleada para su construcción, las dos características principales que debe satisfacer el interruptor son:
• Rapidez de separación de los contactos principales, con el fin de minimizar el tiempo necesario para llevar a cabo la maniobra de apertura. Cuando la protección da orden de realizar la apertura para aislar la falla se activa el circuito de disparo y, como consecuencia de ello, los contactos empiezan a separarse. Sin embargo, la separación inicial de los contactos no implica la inmediata apertura del circuito ya que en los primeros instantes se establece un arco que mantiene la circulación de corriente entre los dos contactos.
La interrupción se produce en el primer paso de la intensidad por cero, pero, si en ese instante la separación de los contactos no es suficiente, la tensión entre ellos hace que se establezca de nuevo el arco. La interrupción definitiva, y consecuentemente la apertura del circuito, se produce en posteriores pases de la corriente por cero, ya que entonces los contactos han tenido tiempo de separarse lo suficiente como para impedir el recebado del arco. Cuanto mayor sea la velocidad con que se separan los contactos menor será el tiempo necesario para alcanzar la distancia que garantice la apertura del circuito. A nivel orientativo se puede señalar como normal que la interrupción definitiva se produzca en el segundo o tercer paso de la corriente por cero.
• La capacidad de interrupción suficiente para garantizar la interrupción de la máxima corriente de cortocircuito que puede producirse en el punto en que está instalado el interruptor. La capacidad de interrupción está íntimamente ligado a la capacidad que debe tener el medio dieléctrico para desempeñar también la función de medio refrigerante, ya que debe ser capaz de canalizar hacia el exterior la energía liberada en el proceso de extinción del arco. En líneas de AT es habitual que para aumentar el poder de corte se utilicen varias cámaras de extinción en serie, cuyos contactos deben operar de manera sincronizada. Este hecho no introduce ninguna modificación desde el punto de vista de la protección, ya que esta da en todos los casos una orden única de actuación y es el interruptor quien debe incorporar los mecanismos necesarios para asegurar la sincronización.
En líneas aéreas es muy habitual que las causas que provocan una falla tengan carácter transitorio,es decir, que desaparezcan tras haberla originado y haberse despejado la falla.
Por esta razón en la protección de líneas aéreas se emplea la maniobra de reenganche. Transcurrido un tiempo prudencial tras haberse producido una falla y haberse realizado un disparo monofásico o trifásico para despejarla, la maniobra de reenganche consiste en volver a cerrar el circuito mediante el cierre monofásico o trifásico correspondiente.
El tiempo de espera desde que se abre el interruptor hasta que se vuelve a intentar su cierre es necesario para desionizar el medio contenido en la cámara de extinción. Si las causas eran de carácter transitorio el reenganche se producirá con éxito y el sistema continuará funcionando satisfactoriamente habiendo tenido un tiempo mínimo de indisponibilidad.
Si, por el contrario, las causas que originaron la falla aun persisten la protección volverá a ordenar el disparo de los interruptores.
En ocasiones, sobre todo en redes de distribución, se programan varios intentos de reenganche, separados entre si por intervalos de tiempo crecientes, con el fin de asegurarse de que las causas que motivaron la falla no han desaparecido por si solas al cabo de cierto tiempo. Para tener una idea del orden de magnitud de los tiempos programados habitualmente cabe citar que, en líneas de distribución, el primer intento de reenganche se realiza tras un tiempo aproximado de 0.2 segundos y que los dos o tres intentos de reenganche sucesivos, en caso de ser necesarios, se realizan entre los 10 y 150 segundos siguientes.
Por tanto, la protección controla tanto el circuito de disparo como el circuito de cierre del interruptor automático. Cuando la importancia de las instalaciones o equipos protegidos así lo justifica, los circuitos de control se instalan por duplicado para asegurar, por ejemplo, que aunque se produzca una avería que inutilice el circuito de disparo principal la apertura del interruptor quede garantizada por la actuación del circuito de disparo de reserva.
Funciones de un sistema de protección 1.Aislar las fallas permanentes.
2.Minimizar el número de salidas y de fallas permanentes.
3.Minimizar el tiempo de localización de las fallas.
4.Prevenir daños a los equipos.
5.Minimizar la probabilidad de rotura de conductores.
6.Minimizar la probabilidad de falla disruptiva.
7.Minimizar los riesgos.
Clases de fallas Fallas temporales: Son las fallas que pueden ser despejadas antes de que ocurran serios daños, o porque se auto despejan o por la operación de dispositivos de despeje de falla que operan lo suficientemente rápido para prevenir los daños. Algunos ejemplos son: arqueos en la superficie de los aisladores iniciados por las descargas atmosféricas, balanceo de conductores y contactos momentáneos de ramas de árboles con los conductores. La mayoría de las fallas en líneas aéreas son de carácter temporal pero pueden convertirse en permanentes si no se despejan rápidamente, o porque se auto despejan o porque actúan las protecciones de sobre corriente.
Fallas permanentes: Son aquellas que persisten a pesar de la velocidad a la cual el circuito es des energizado o el número de veces que el circuito es des energizado. Algunos ejemplos: cuando dos o más conductores desnudos en un sistema aéreo entran en contacto debido a rotura de conductores, crucetas o postes; los arcos entre fases pueden originar fallas permanentes, ramas de árboles sobre la línea, etc.
En sistemas subterráneos la mayoría de las fallas son de naturaleza permanente ya que la desconexión, a pesar de la velocidad de des energización, no restaurará la fortaleza del aislamiento del equipo fallado (cable, equipo de interrupción, transformadores, etc.) al nivel al cual resista la reaplicación del voltaje normal de 60 Hz.
El aislamiento del cable falla debido a sobrevoltajes y roturas mecánicas, los cuales son ejemplos de fallas permanentes en sistemas subterráneos.
Efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano
El estudio de una instalación consiste en determinar las cargas, su situación geográfica, la determinación de los circuitos y sus protecciones, desde el origen hasta el último ramal.
Cada línea se constituye con la conjunción de la canalización y sus protecciones, debiendo atender las condiciones propias del circuito para asegurar su perfecto funcionamiento con seguridad:
Permitiendo su utilización sin riesgos para las personas, los animales domésticos, los materiales propios de la red y los de su entorno.
Permitiendo la circulación de la corriente permanente y sus puntas de empleo, propias de las cargas.
No debe generar caídas de tensión que perjudiquen a la alimentación de las cargas.
Por ejemplo, las caídas de tensión producidas por las corrientes de arranque de motores.
Las protecciones (interruptores automáticos o fusibles) deben:
Proteger las canalizaciones de todas las sobreintensidades e incluso las corrientes de cortocircuito.
Asegurar la protección de las personas contra contactos indirectos en regímenes TN e IT.
En el momento que una corriente, superior a 30 mA, transcurre por un cuerpo humano, la persona en cuestión puede sufrir lesiones irreparables si no se desconecta a tiempo esta corriente.
Choque eléctrico Es el efecto fisiopatológico resultante del paso de una corriente eléctrica a través del cuerpo humano.
El paso de una corriente eléctrica por un cuerpo humano afecta esencialmente las funciones circulatoria y respiratoria, produce muchas veces quemaduras. La gravedad de las lesiones está en función de la intensidad y el tiempo de circulación de la corriente y de su trayecto por el cuerpo humano.
El corazón humano Las células del corazón La membrana de una célula define un espacio interno con cargas mayoritariamente negativas, comportándose como una carga negativa en su interior y por correspondencia positiva en su entorno.
Las células del corazón forman una estructura que les permite mantener la misma polarización a todas ellas.
Las neuronas Las neuronas del corazón se cargan y descargan por estímulos propios polarizando a las células de los tejidos.
Carga de las neuronas: ? En reposo, 95 mV.
? En excitación, a partir de –40 mV y hasta pueden llegar a valores +… mV.
El comportamiento eléctrico del corazón Secuencia:
1. El nódulo sinus auricular (1) genera impulsos rítmicos propios.
2. Las aurículas (2) se despolarizan.
3. El nódulo auriculoventricular (3) se excita con la despolarización de las aurículas.
4. El nódulo auriculoventricular (3) transmite a través del eje de Hiss (4) la excitación a la musculatura cardíaca (5 miocardio) de los ventrículos (6).
El comportamiento mecánico Ciclo cardíaco:
1. Las aurículas al cambiar de polaridad se contraen y expulsan la sangre estacionada en ellas a los ventrículos. En el electrocardiograma corresponde al espacio entre 1 y 3.
2. Se cierran las válvulas tricúspide y mitral (3).
3. Los ventrículos cambian de polaridad, se contraen y expulsan la sangre recibida de las aurículas a las arterias pulmonar y aorta. En el electrocardiograma de 3 a 5.
4. Los ventrículos se repolarizan, relajan la musculatura y cierran las válvulas aórtica y pulmonar. En el electrocardiograma corresponde al espacio entre 5 y 1.
El tiempo del ciclo El tiempo del ciclo del corazón no es siempre el mismo. En función del esfuerzo realizado y del estado psíquico, el número de ciclos por minuto varía. Un estado medio normal se considera de 800 ms, que equivale a 75 pulsaciones por minuto.
El electrocardiograma siguiente nos presenta, en la segunda pulsación, la intervención de una corriente eléctrica que perturba el funcionamiento normal "fibrilación ventricular", disminuyendo la presión arterial y por tanto el riego sanguíneo.
La impedancia de cuerpo humano Los valores de la impedancia total del cuerpo humano son válidos para los seres vivos, para trayectos de mano a mano y mano a pie, con dos superficies de contacto de (50 mm 2 a 100 mm) y en condiciones secas.
Para las tensiones de contacto hasta 50 V, los valores medios con superficies de contacto mojadas por agua son inferiores, del 10 al 25 %, con relación a las condiciones secas.
Para tensiones superiores a 150 V aproximadamente, la impedancia total del cuerpo humano depende poco de la humedad y de la superficie de contacto. Las medidas han sido efectuadas sobre adultos de los dos sexos.
Efectos de Ia corriente electrica
Efectos de Ia corriente electrica
Los efectos de la corriente sobre el cuerpo humano dependen de varios parámetros:
? La zona del cuerpo en que se produce el contacto.
? La superficie de contacto.
? Las condiciones en el contacto: humedad, presión y temperatura.
? Las condiciones fisiológicas, en el momento, del individuo.
Umbral de percepción: Corriente alterna de 15 a 100 Hz: Se toma en consideración un umbral de 0,5 mA, sin limitación de tiempo.
Corriente continua: En condiciones parecidas para las definidas en corriente alterna el umbral de percepción es de 2 mA.
Umbral de no soltar: En corriente alterna de 15 a 100 Hz: Se toma en consideración un valor de unos 10 mA.
En corriente continua: Es difícil especificar un valor de no soltar con corrientes inferiores a 300 mA. Únicamente al contacto y a la interrupción producen dolores y contracciones musculares.
Para corrientes superiores a 300 mA, la posibilidad de soltar puede aparecer después de algunos segundos o minutos del contacto, o no aparecer.
Umbral de fibrilación ventricular: En corriente alterna (50 Hz o 60 Hz): El umbral de fibrilación decrece considerablemente si la duración del paso de la corriente se prolonga más allá de un ciclo cardíaco. Este efecto resulta del aumento de la heterogeneidad del estado de excitación del corazón, debido a las extrasístoles producidas por la corriente.
Para duraciones de choque inferiores a 0,1 s, la fibrilación ventricular puede producirse para corrientes de intensidad superior a 500 mA, y se produce frecuentemente para corrientes de intensidad del orden de algún amperio, si el choque se produce durante el período vulnerable.
Para choques de la misma intensidad y de duración superior a un ciclo cardíaco, puede producirse una parada cardíaca reversible.
El umbral elevado, para cortos períodos de exposición entre 10 ms y 100 ms, se sitúa sobre una recta que va de 500 mA a 400 mA.
Sobre la base de informaciones de accidentes eléctricos, el umbral inferior para duraciones superiores a 1 s se sitúa sobre una recta que va de 50 mA para un segundo, a 40 mA para duraciones superiores a 3 s. Los dos umbrales están unidos por una curva continua deducida de resultados experimentales.
Adecuando los resultados de las experiencias efectuadas sobre animales a los seres humanos, se ha establecido una curva por debajo de la cual la fibrilación no es susceptible que se produzca.
El umbral elevado para cortos períodos de exposición, entre 10 ms y 100 ms, se sitúa sobre una recta que va de 500 mA a 400 mA. Sobre la base de informaciones de accidentes eléctricos, el umbral inferior para tiempos superiores a 1 s se sitúa sobre una recta de 50 mA para 1 s y 40 mA para tiempos superiores a 3 s. Los dos umbrales están unidos por una curva continua deducida de resultados experimentales.
En corriente continua: Experiencias efectuadas sobre animales e informaciones que provienen de accidentes eléctricos muestran que el umbral de fibrilación ventricular, para una corriente descendente, es aproximadamente 2 veces mayor que para una corriente ascendente.
La fibrilación ventricular no es susceptible de producirse para el paso de la corriente mano a mano.
Para tiempos de choque superiores a la duración de un ciclo cardíaco, el umbral de fibrilación con corriente continua es varias veces mayor que con corriente alterna.
Para tiempos de choque inferiores a 200 minutos, el umbral de fibrilación es aproximadamente el mismo que en ca, expresada en corriente eficaz.
Otros efectos de la corriente: En corriente alterna: La fibrilación ventricular está considerada como la causa principal de muerte por choque eléctrico. Existen además los casos de muerte por asfixia o parada cardíaca.
Efectos pato fisiológicos tales como contracciones musculares, dificultades de respiración, aumento de la presión sanguínea, perturbaciones en la formación y la propagación de los impulsos en el corazón, incluida la fibrilación auricular y la parada provisional del corazón, pueden producirse sin fibrilación ventricular.
Tales efectos no son mortales y son normalmente reversibles, pero pueden producirse marcas propias de la corriente.
Para corrientes de varios amperios pueden producirse quemaduras graves capaces de provocar incluso la muerte.
En corriente continua. Para corrientes inferiores a 300 mA aproximadamente, una sensación de calor es sentida en las extremidades durante el paso de la corriente.
Las corrientes transversales de intensidad como máximo igual a 300 mA, que pasan a través del cuerpo humano durante varios minutos, pueden provocar arritmias cardíacas reversibles, marcas de corriente, quemaduras, vértigos y a veces inconsciencia. Por encima de 300 mA, la inconsciencia se produce frecuentemente.
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