• Protección del sistema eléctrico de media tensión

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Objetivos de aprendizaje

  1. Comprender los requisitos de protección contra sobreintensidad para transformadores de distribución de media tensión.
  2. Comprender los requisitos de sobreintensidad para distribución de media tensión.
  3. Aprender acerca del código y los “mínimos” estándar que se deben tener en cuenta al coordinar los dispositivos de protección de MT.

Hasta hace poco, los ingenieros no trabajaban con demasiada frecuencia en el diseño de sistemas de media tensión (MT), principalmente porque las tensiones por encima de 600 V las manejaban principalmente las compañías eléctricas. Entre las excepciones se incluían los grandes consumidores eléctricos, como las instituciones gubernamentales, la industria de la minería o emplazamientos industriales. Sin embargo, en los últimos 15 años ha habido una explosión de los sistemas de distribución eléctrica de MT utilizados en grandes complejos comerciales. Muchos de estos complejos también tienen componentes de gran altura con elevadores de MT que dan servicio a subestaciones unitarias en lugares estratégicos en múltiples niveles. Otra característica de los grandes complejos comerciales es la función de planta central asociada con enfriadores de MT y subestaciones unitarias.

El objeto de este artículo son los requisitos de protección contra sobreintensidad de los transformadores de MT y la conexión de transformadores a sistemas de distribución de MT comunes. Los diseños de MT son subjetivos y tienen como base la aplicación. La intención es ilustrar el código y los “mínimos” estándar que se deben tener en cuenta al coordinar los dispositivos de protección de MT. Dimensionar componentes de MT como motores, generadores, transformadores, sistemas de cableado, la arquitectura de los sistemas de MT, o el diseño de esquemas de protección complicados con reconectadores, enclavamientos de zona, protección diferencial, etc., va más allá del alcance de este artículo.

Objetivos fundamentales

Hay tres objetivos fundamentales al hacer que la protección contra sobreintensidad incluya la protección contra defectos a tierra:

1. Seguridad: Los requisitos de seguridad personales se cumplen si los dispositivos de protección se dimensionan para transportar e interrumpir la intensidad de carga disponible máxima, y para admitir las intensidades de defecto disponibles máximas. Los requisitos de seguridad garantizan que el equipo tiene unas especificaciones suficientes para admitir la energía máxima disponible en el peor de los casos.

2. Protección de equipos: Los requisitos de protección se cumplen si los dispositivos de protección contra sobreintensidad se configuran por encima de los niveles de funcionamiento de la carga y por debajo de las curvas de daños en los equipos. La protección del alimentador y el transformador se define por las normas aplicables a los equipos. Las curvas del motor y el generador son específicas de cada máquina y normalmente se proporcionan en los paquetes de presentación de datos de los proveedores.

3. Selectividad: Los requisitos de selectividad pretenden limitar los fallos del sistema o la respuesta de sobrecarga a una área o zona de impacto específicas, así como limitar la interrupción del servicio a las mismas. La selectividad comprende dos categorías principales:

a. Debido a las limitaciones de operación del sistema y a la selección de equipos, la selectividad no siempre es posible para sistemas de reserva opcionales o que no sean de emergencia.

b. NFPA 70: El Código Eléctrico Nacional (NEC) requiere selectividad para:

i. Artículo 517.17(C): Selectividad de defecto de tierra en hospital

ii. Artículo 700.27: Coordinación de sistemas de emergencia

iii. Artículo 701.27: Coordinación de sistemas en espera requeridos legalmente

Excepción: Los Artículos 240.4A y 695 del NEC permiten que los conductores no tengan protección de sobrecarga en casos en que la interrupción del circuito supondría un peligro, como en las bombas contra incendios. Aún se requiere la protección contra cortocircuitos.

Definición de MT

MT es un término utilizado por el sector de distribución de energía eléctrica; no obstante, existen diversas definiciones.

IEEE 141 divide las tensiones del sistema en “clases de tensiones”. Las tensiones de 600 V e inferiores se denominan “baja tensión”, las tensiones de 600 V a 69 kV se denominan “media tensión”, las tensiones de 69 kV a 230 kV se denominan “alta tensión” y las tensiones de 230 kV a 1100 kV se denominan “extra alta tensión”, aunque 1100 kV también se denomina “ultra-alta tensión”.

Según IEEE 141, los siguientes sistemas de tensión se consideran los sistemas de MT:

El fabricante de fusibles Littelfuse explica en su documentación que “Los términos ‘media tensión’ y ‘alta tensión’ han sido utilizados indistintamente por muchas personas para describir fusibles que trabajan por encima de 600 V”. Técnicamente hablando, los fusibles de “media tensión” son aquellos destinados a la gama de tensiones de 2.400 a 38.000 V CA.

Norma ANSI/IEEE C37.20.2 - La norma para aparamenta de chapa de acero define MT como 4,76-38 kV.

Para este artículo, una buena definición de trabajo de MT es de 1 a 38 kV CA, puesto que cualquier nivel de tensión superior a 38 kV es una tensión de nivel de transmisión frente a una tensión de nivel de distribución.

Elección de MT

La elección de la tensión de servicio está limitada por las tensiones que proporciona la compañía eléctrica suministradora. En la mayoría de los casos, la compañía eléctrica solo dispone de una opción y por lo general hay una elección limitada de la tensión de servicio. A medida que aumentan los requisitos de energía, también lo hace la probabilidad de que la compañía eléctrica requiera una mayor una tensión de servicio. Normalmente, si la demanda máxima se aproxima a 30 MW, la compañía eléctrica podría requerir una subestación in situ. No obstante, la norma es que la compañía eléctrica dará varios servicios de MT que el ingeniero necesitará integrar en el sistema de distribución de MT de un propietario.

En algunos casos, la compañía eléctrica puede ofrecer opciones para la tensión de servicio. En este caso, es preciso llevar a cabo un análisis de las opciones para determinar la mejor opción para el proyecto. En general, las tensiones de servicio más altas tienen como consecuencia más gastos en equipos. Los costes de mantenimiento y de instalación también aumentan con las tensiones de servicio más elevadas. Sin embargo, para desarrollos a gran escala, equipos como grandes motores pueden requerir una tensión de servicio de 4160 V o superior. Por lo general, la fiabilidad del servicio tiende a aumentar a medida que aumentan las tensiones de servicio.

Cuando se conecta a una compañía eléctrica existente, dicha compañía normalmente dirige las necesidades de interconexión, incluyendo los requisitos de dispositivos de protección. La compañía eléctrica incluirá las limitaciones y los parámetros de ajuste necesarios basándose en el fabricante de los dispositivos de protección.

Protección de los transformadores de MT

A efectos de discusión, considérese un transformador dimensionado adecuadamente con especificaciones conocidas. Para que quede claro, un transformador dimensionado adecuadamente incluye las siguientes características:

  • Capacidad adecuada para la carga a la que va a servir
  • Capacidad de sobrecarga temporal adecuada (tamaño en kVA, o valores nominales)
  • Tensiones primarias y secundarias correctamente dimensionadas para el sistema de distribución eléctrica
  • Selección correcta para la aplicación de transformadores llenos de líquido o secos.

En 2011 el NEC requiere que los transformadores estén protegidos contra sobreintensidad (Artículo 450.3 del NEC). Además, el Artículo 450.3 (A) del NEC cubre específicamente los transformadores de más de 600 V hasta incluir transformadores de media tensión.

Figura 4: Esto ilustra los artículos del NEC aplicables al servicio de MT, alimentadores y equipos de distribución. Cortesía de: JBA Consulting Engineers

Se requiere proveer de transformadores de MT trifásicos con dispositivos de protección contra sobreintensidad para el primario y el secundario (OPD), debido principalmente a que los conductores primario y secundario no se consideran protegidos por la protección contra sobreintensidad del primario. Esto es especialmente cierto para en delta primaria y estrella secundaria, casos en los que un defecto a tierra secundario podría no disparar la protección primaria. El Artículo 240.21 (C) (1) y el Artículo 450.3 (A) del NEC validan que esta afirmación es cierta.

Aunque los bobinados primarios están especificados para MT, el diseñador debe elegir o fusibles o interruptores automáticos para proteger el transformador. Como regla general, los transformadores de 3000 kVA y más pequeños instalados como una unidad independiente o como subestaciones unitarias suelen estar protegidos por fusibles. Se utilizan protecciones de interruptores automáticos de MT para tamaños de transformador superiores a 3000 kVA.

A diferencia de los fusibles y los interruptores automáticos de 600 V típicos, los interruptores automáticos de MT cuentan con dispositivos independientes tales como transformadores de intensidad (TI), un transformador de potencial (TP) y relés de protección para proporcionar la protección contra sobreintensidad. La mayoría de los relés modernos son de tipo multifunción con la protección que se hace referencia con los números que se correlacionan con las funciones que realizan. Ésos números están basados en los estándares IEEE reconocidos a nivel mundial según se define en la Norma IEEE C37.2. La Tabla 1 contiene una muestra de algunos de los números de función de protección que se utilizan en esta norma.

Tabla 1: Ésos números están basados en los estándares IEEE reconocidos a nivel mundial según se define en la Norma IEEE C37.2. Cortesía de: JBA Consulting Engineers Figura 3: Un dibujo de una sola línea ilustra la aplicación de los números de dispositivo de la norma IEEE C37.2. Cortesía de: JBA Consulting Engineers

Hay varios factores que influyen en la configuración de protección del transformador:

  • La protección contra sobreintensidad requerida para los transformadores se considera una protección únicamente para el transformador. Dicha protección contra sobreintensidad no protege necesariamente los conductores primarios o secundarios, ni los equipos conectados en el lado secundario del transformador.
  • Es importante tener en cuenta que el dispositivo de protección contra sobreintensidad en el lado primario debe dimensionarse basándose en las especificaciones de kVA del transformador y en base a la carga del secundario del transformador.
  • Antes de determinar el tamaño o la calificación de los dispositivos de protección contra sobreintensidad, observe que las Notas 1 y 2 de la Tabla 450-3(A) del NEC permiten incrementar la clasificación o el ajuste del OPD primario y/o secundario al siguiente valor o estándar superior cuando el valor calculado no corresponde a una clasificación o ajuste estándar.
  • Cuando se aplica la tensión para energizar un transformador, el núcleo del transformador normalmente se satura, lo cual produce una gran corriente de irrupción. Para dar cabida a esta corriente de irrupción, la protección contra sobreintensidad se selecciona típicamente con valores de corriente admisible-tiempo de al menos 12 veces la corriente nominal del primario del transformador para 0,1 s y de 25 veces para 0,01 s.
  • Los ingenieros deben garantizar que los ajustes del sistema de protección estén por debajo de las curvas de daños por cortocircuito del transformador según se define en la norma ANSI C57.109 para transformadores de potencia llenos de aceite y ANSI C57.12.59 para transformadores de potencia de tipo seco.
  • Las curvas de los relés de protección no se pueden utilizar de la misma manera que las curvas de los interruptores automáticos de baja tensión o las curvas de fusibles. La curva de relé de protección solo representa la acción de un relé de calibrado y no tiene en cuenta las acciones del interruptor automático asociado ni la exactitud de los transformadores de corriente que conectan el relé al circuito supervisado.

La curva representa el funcionamiento ideal del relé y las tolerancias de fabricación no se reflejan en la curva. Para coordinar un relé de protección contra sobreintensidad con otros dispositivos de protección, se debe incorporar un margen de tiempo mínimo entre las curvas. Tabla 15.1 de Norma IEEE 242. Los márgenes de tiempo de retransmisión recomendados están en la Tabla 2.

Fusibles y aparamenta

Normalmente se utilizan fusibles de potencia clasificados E en los interruptores con fusible que dan servicio a los transformadores. El propósito del fusible es permitir el uso completo del transformador y proteger el transformador y los cables frente a defectos. Para lograr eso, la curva del fusible debe estar a la derecha del punto de irrupción del transformador y a la izquierda de la curva de daños en el cable. Típicamente, el fusible cruzará la curva de daños del transformador en la región de largo retardo (región de sobreintensidad). El dispositivo principal secundario proporciona protección contra sobreintensidad para el circuito. Los valores nominales de los fusibles “E” siempre deben ser mayores que los amperios a plena carga del transformador (FLA). La curva de daños en el cable debe estar por encima de la intensidad máxima de defecto durante 0,01 s.

Para transformadores de 3 MVA e inferiores, los planes estándar de protección contra sobreintensidad para interruptores de aparamenta de MT deberían incluir un relé combinado de sobreintensidad instantánea (dispositivo 50/51). Para transformadores de más de 5 MVA, los esquemas de protección se vuelven más complejos. Se usan los números de dispositivos IEEE de IEEE C37.2 para perfilar el esquema de protección. Los interruptores automáticos de MT del transformador pueden incluir los siguientes números de dispositivos de protección:

En los sistemas de MT, los transformadores de intensidad (TI) conectan dispositivos de protección o de medición. Los TI sirven de interfaz con el dispositivo electrónico y el sistema primario de MT. Los niveles de tensión e intensidad del sistema primario de MT son peligrosamente altos y no se pueden conectar directamente a un relé o a un medidor. Los TI proporcionan aislamiento de los niveles de alta tensión y corriente del cable y traducen la corriente del primario a un nivel de señal que pueden manejar delicados relés/medidores. La intensidad nominal del secundario normalmente es de 5 amperios, aunque intensidades inferiores, como 1 amperio no son infrecuentes.

Se espera que los TI de los relés de protección entreguen unos 5 amperios o menos bajo condiciones de carga saludables. La intensidad subirá a un valor elevado cuando se produzca un fallo. Según ANSI C57.13, la clase de TI de protección normal de secundario debe admitir hasta 20 veces durante cortos periodos de tiempo en condiciones de defecto. Como consecuencia, la clase de protección de los TI es suficiente para manejar un conjunto de instrumentos indicadores, pero no será suficientemente buena para la medición de energía con totalización para cálculo de ingresos.

Otros factores a considerar:

  • Los TI para relés de protección deben tener un tamaño entre el 150% y el 200% de la intensidad a plena carga (FLA).
  • A diferencia de los interruptores de baja tensión y los fusibles, los interruptores automáticos de MT no tienen disparo fijo. Los ajustes no se corresponden con los que figuran como estándar [Artículo 240-6(a) del NEC].
  • Sobreintensidad, dispositivo 51, debe configurarse del 100% al 140% de la FLA y configurarse por debajo de la capacidad de intensidad del cable del transformador.
  • La línea de tiempo debe configurarse por debajo de la curva de daños al transformador y por encima del dispositivo interruptor automático principal secundario.
  • Disparo instantáneo, dispositivo 50, debe configurarse por debajo de las curvas de daños al transformador, por debajo de la curva de daños al cable a 0,1 y aproximadamente al 200% de la intensidad de entrada. Además, el ingeniero debe asegurarse de que el ajuste no supere la intensidad de defecto disponible máxima, o el disparo instantáneo no tendrá efecto.
  • Para los alimentadores de emergencia y de reserva legalmente requeridos, los Artículos 700.26 y 701.26 del NEC requieren que el dispositivo de defecto a tierra sea solamente de alarma. Para los sistemas de MT, esto puede tener importantes consecuencias negativas. Se debería considerar la instalación de una resistencia de puesta a tierra neutra para limitar las intensidades de defecto a tierra a un nivel seguro para los sistemas de generación de MT.

Aparamenta de baja tensión

Entre los esquemas de protección estándar de la industria para el secundario del transformador se incluyen un interruptor automático equipado con funciones de largo plazo, de corto plazo, instantáneas y de defecto a tierra.

Los Artículos 215.10, 230-95 y de 240.13 del NEC requieren protección contra defectos a tierra para sistemas en estrella puestos a tierra sólidamente de más de 150 V a circuitos de tierra, que incluye los sistemas de 277/480 V conectados “en estrella”. El sensor o relé de defecto a tierra deben configurarse para detectar defectos a tierra de 1200 amperios o más y accionar el interruptor automático o el interruptor principal para desconectar todos los conductores no puestos a tierra del circuito con defecto como máximo en 1 s.

Para hospitales, la subestación que alimenta el sistema de distribución normalmente es un primario de MT relleno con líquido hasta transformadores secundarios de 480/277 V conectados a cuadros de distribución de servicio con interruptores automáticos principales y de alimentación. Según el Artículo 517.17(B) del NEC, los cuadros de distribución deberán estar equipados con detección de defectos a tierra de dos niveles. El Artículo 517.17 (B) requiere que tanto el interruptor principal como el primer conjunto OPD aguas abajo desde el principal tengan defecto a tierra. Además, la protección de defecto a tierra se coordinará de manera selectiva según el Artículo 517.17 (C) del NEC.

Para los alimentadores de emergencia y de reserva legalmente requeridos, los Artículos 700.26 y 701.26 NEC requieren que el dispositivo de defecto a tierra sea solamente de alarma.

Para los circuitos secundarios normales aguas arriba de un interruptor de transferencia automática (ATS), se requiere la protección de defecto a tierra según el Artículo 230.95 NEC.

Los ajustes sugeridos son:

  • Dispositivo 51 o función de detección de largo plazo (LTPU): Se recomienda del 100% al 125% del valor de FLA del transformador y configurar por debajo de las curvas de daños de transformadores y cables.
  • Retardo de larga duración (LTD), STPU y retardo de corta duración (ETS): Configurar para coordinar con dispositivos aguas abajo y por debajo de la curva de daños del transformador.
  • Dispositivo 50 o instantáneo: Configurar por debajo de la curva de daños del cable y debe estar por encima de la intensidad máxima de defecto en la curva de borrado total del interruptor automático.

Protección del sistema de distribución de MT

Con la protección para los transformadores de MT tratados, el siguiente paso es conectar varios transformadores en un sistema de distribución y a un sistema de la compañía eléctrica. En el diseño de la distribución, se siguen aplicando los tres objetivos:

  1. Seguridad personal
  2. Protección de equipos
  3. Selectividad.

Por ejemplo, si los requisitos de NEC para la protección contra sobreintensidad del transformador se consideran sin hacer referencia a las normas aplicables y a los requisitos del código, el sistema podría hacer frente a la protección de los transformadores, mientras que otros elementos del sistema de distribución (como los alimentadores que conectan el transformador o transformadores al sistema de distribución) podrían no estar protegidos de acuerdo con el código.

El Artículo 450 es específico y se limita a los requisitos para el transformador. La capacidad de corriente (ampacidad) de los conductores de MT que alimentan al transformador y que se prolongan desde el mismo, así como la protección contra sobreintensidad necesaria de conductores y equipos, están cubiertos por lo siguiente:

  • Artículo 240-100 y 240-101 del NEC, se refiere a la protección contra sobreintensidad de MT por encima de 600 V para circuitos de alimentación y ramales.
  • Artículo 310.60 (C) y las Tablas 310.77 a 310 del NEC, muestran las intensidades máximas admisibles de los conductores MV 2001-35000 V.
  • Artículo 210.9 (B) (1) del NEC, requiere la ampacidad de los conductores del circuito derivado no será inferior a 125% de la carga de diseño potencial.
  • Artículo 493.30 del NEC, enumera los requisitos para aparamenta bajo envolvente metálica.
  • Sección II (Artículos 300.31 a 300.50) del NEC, cubre los métodos de cableado de MT.
  • Artículo 310.10 del NEC, requiere cable de MT apantallado para distribución por encima de 2000 V.
  • Artículo 490.46 del NEC, indica que el interruptor automático de MT deberá poderse aislar o si se instala en un mecanismo de extracción, dicho mecanismo deberá poderse bloquear.
  • Artículos 215.2 (B) (1) a (3) del NEC, describen el tamaño de los conductores de puesta a tierra del circuito.
  • Artículo 490 del NEC, cubre el equipo por encima de 600 V nominales.

La captación de cargas en frío se define de la siguiente manera: Siempre que se interrumpa un servicio a un alimentador de distribución durante 20 minutos o más, podría resultar muy difícil volver a energizar la carga sin que se activen los relés o fusibles de protección. La razón de esto es el flujo de corriente de irrupción anormalmente elevada resultante de la pérdida de diversidad de cargas. Una alta corriente de irrupción se produce por:

  • Corrientes de irrupción de magnetización hacia transformadores
  • Corrientes de arranque del motor
  • Corriente para elevar la temperatura de lámparas y elementos calefactores.

Figura 6: Este transformador de aceite de tipo pedestal de 2,47 kV a 480 V requiere protección básica de sobreintensidad para MT primaria y BT secundaria y de defecto a tierra. Cortesía de: JBA Consulting Engineers

Según el Art. 240.101 del NEC, el valor de amperaje continuo de un fusible no deberá ser superior a tres veces la ampacidad de los conductores, y el amperaje continuo de un interruptor no deberá superar seis veces la ampacidad del conductor.

En la práctica habitual del sector industrial, se considera razonable un ajuste del relé del alimentador del 200% al 400% de plena carga. Sin embargo, a menos que se tomen precauciones, este ajuste podría ser demasiado bajo para evitar un mal funcionamiento del relé por la corriente de irrupción tras un fallo de suministro. Aumentar este ajuste podría restringir la cobertura del alimentador o impedir un ajuste razonable de los fusibles del lado de la fuente o aguas arriba y de los relés de protección. Una solución satisfactoria a este problema es el uso de curvas de relé extremadamente inversas. Un ajuste de relé extremadamente inverso es superior en el sentido de que consigue un tiempo de anulación de defectos sustancialmente más rápido en los niveles más altos de intensidad.

El problema de ajustar la sensibilidad del relé de tierra para que incluya todos los defectos pero no se dispare con corrientes de irrupción ni producidas por grandes cargas, no es tan complejo como en el caso de los relés de fase. Si la carga trifásica está equilibrada, las corrientes de tierra normales son casi cero. Por lo tanto, el relé de tierra no debería verse afectado por las corrientes de carga. Para sistemas de distribución equilibrados, el relé de tierra se puede configurar para detectar corrientes tan bajas como un 25% de la corriente de carga. Si las cargas trifásicas están desequilibradas, entonces el relé de tierra debe configurarse para que detecte aproximadamente un 50% de la corriente de carga.

Figura 6: Una aparamenta de servicio de 12,47 kV tiene secciones de conexión entrantes para la empresa eléctrica, medios visibles de desconexión, medición y secciones con fusible. Cortesía de: JBA Consulting Engineers

Bajo condiciones de defecto, la intensidad de defecto puede superar fácilmente la capacidad del apantallamiento de cinta para cable o tierra neutral concéntrica; por lo tanto, se necesita un cable de tierra separado. Por ejemplo, Southwire Co. ha publicado que la capacidad de intensidad de defecto para apantallamientos de cinta es de 1893 amperios con el 12,5% de solapamiento de cinta y de 2045 amperios con el 25% de solapamiento de cinta. Las corrientes de cortocircuito de la mayoría de los sistemas de distribución de MT puestos a tierra sólidamente pueden estar muy por encima de 10.000 amperios. Además, el Art. 215.2(B) del NEC requiere una tierra separada para manejar corrientes de cortocircuito. Es preciso que el conductor de tierra se dimensione según la Tabla 205.122.

Para los esquemas de coordinación que se presentan en los ejemplos, las curvas del interruptor automático o del disparo de fusible no se superponían. En la práctica, puede haber esquemas de protección no selectivos que se solapan. En los casos que implican dispositivos de protección redundantes, el funcionamiento del interruptor automático no selectivo ofrece poca o ninguna preocupación. Los dispositivos de protección son redundantes: no importa qué dispositivo es el que se abre, se produce el mismo fallo de suministro. Para mejorar la protección general y la coordinación del sistema, se configuran intencionalmente dispositivos redundantes para que se solapen (es decir, se coordinen no selectivamente entre sí).

Para sistemas de MT más complicados, se debe consultar a un ingeniero de protección de sistemas.


Leslie Fernández es ingeniera senior de proyectos eléctricos en JBA Consulting Engineers. Cuenta con más de 28 años de experiencia en ingeniería y diseño, además de experiencia sobre el terreno que incluye sistemas de distribución de MT para instalaciones militares, minería, construcción de túneles, elaboración alimentaria, producción de energía, instalaciones de gran altura y complejos hoteleros y casinos.

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