Introducción a la Coordinación de Sobrecorriente

¿Cuál es la funcionalidad de la coordinación de sobrecorriente? ¿Por qué es tan importante?

La coordinación de sobrecorriente es el estudio que nos ayuda a determinar cuáles son las configuraciones que se deben hacer a los dispositivos de protección contra sobrecorriente. De forma que, ante una condición de falla o sobrecarga, sólo se interrumpa una porción mínima del sistema de energía lo más rápido posible para minimizar el daño al equipo sin perder selectividad.

En otra palabras, el estudio de coordinación de sobrecorriente es la comparación y selección de tiempos de operación de los dispositivos de protección desde el equipo de utilización hasta la fuente.

Dispositivos de Protección Primaria y de Respaldo

Normalmente, en los sistemas eléctricos se aplican dispositivos de protección primarios y de respaldo. Donde, la protección primaria es la primera línea de defensa contra daños mayores causados por una falla u otra condición operativa anormal. Por lo que deben configurarse para operar más rápido y desconectar menor parte del sistema eléctrico que los relés de respaldo.

Coordinación de Sobrecorriente. Diagrama de Ejemplo.
Diagrama Referencial de Coordinación de Sobrecorriente. Fuente: ALSTOM GRID

Por otra parte, la protección de respaldo asume el control cuando la protección primaria no logra eliminar la condición anormal. Por esto, los dispositivos y configuraciones de protección de respaldo se seleccionan para operar en un intervalo de tiempo predeterminado después de que funcione el dispositivo principal.

Es decir, el dispositivo de respaldo debería poder soportar las condiciones de falla durante un período de tiempo mayor que el dispositivo de protección primario. Y, por estar ubicado aguas arriba del dispositivo de protección primario, desconectará mayor parte del sistema eléctrico para poder despejar la falla, comprometiendo la selectividad, pero garantizando la protección antes de que la falla dañe el equipo protegido.

Estudio de Coordinación en Instalaciones Nuevas y Existentes

En instalaciones nuevas, se debe realizar un estudio de coordinación preliminar durante las primeras etapas del diseño del sistema eléctrico. Con esto se logra verificar que las especificaciones de los dispositivos de protección, así como los transformadores de instrumentación y los interruptores de potencia, puedan soportar las corrientes de carga y de falla calculadas.

En instalaciones existentes, se presenta el reto de que las configuraciones del sistema y las condiciones operativas cambian con frecuencia. A veces, esos cambios pueden modificar la magnitud de la corriente de cortocircuito disponible en una planta, o pueden producir cambios en la corriente de carga de la planta. Por lo tanto, se debe realizar un nuevo estudio de coordinación de sobrecorriente para volver a ajustar las configuraciones de los dispositivos de protección y adaptar la selectividad a los nuevos cambios del sistema eléctrico.

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Procedimiento de Coordinación de Sobrecorriente

Antes de comenzar un estudio de coordinación de sobrecorriente se necesitan los siguientes datos:

  1. Un diagrama unifilar del sistema eléctrico involucrado, que muestre el tipo y clasificación de los dispositivos de protección y sus transformadores de corriente asociados.
  1. El valor de las impedancias de todos los transformadores de potencia, máquinas rotativas y circuitos alimentadores.
  1. Los valores máximos y mínimos de las corrientes de cortocircuito que se espera que fluyan a través de cada dispositivo de protección.
  1. La corriente de carga máxima que se espera que fluya a través de los dispositivos de protección.
  1. Los requisitos de corriente de arranque de los motores y los tiempos de arranque y de rotor bloqueado de los motores de inducción.
  1. La corriente Inrush del transformador, la resistencia térmica y las características de daño.
  1. Curvas de decremento que muestran la tasa de caída de la corriente de falla suministrada por los generadores.
  1. Curvas de rendimiento de los transformadores de corriente (TC).

Por lo general, primero se determinan los ajustes de cada dispositivo de protección para proporcionar los tiempos de operación más cortos en niveles máximos de falla, y luego se verifica si la operación real será satisfactoria con la corriente de falla mínima esperada.

Siempre es recomendable trazar las curvas (en una escala común) de los relés y otros dispositivos de protección, como los fusibles, que van a funcionar en serie. Usualmente, es más conveniente usar la escala correspondiente a la corriente esperada en base al e más bajo del sistema, o usar la base de voltaje predominante.

Curvas de Operación de Dispositivos en Serie. Fuente: ALSTOM GRID.
Curvas de Operación de Dispositivos en Serie. Fuente: ALSTOM GRID.

Reglas Básicas para la Coordinación de Protecciones

En términos generales, estas son las reglas básicas que deben cumplirse para lograr una correcta coordinación de protección de sobrecorriente:

  1. Siempre que sea posible, se recomienda utilizar el mismo tipo de curva de operación para los dispositivos de protección que estén en serie.
  1. Se debe discriminar la operación por tiempo y por corriente de forma que cada relé aísle sólo la sección defectuosa de la red del sistema eléctrico, dejando el resto del sistema intacto.

Discriminación por Tiempo

La discriminación de operación por tiempo garantiza que el interruptor más cercano a la falla abra primero. Para comprenderlo mejor, analizaremos el ejemplo del siguiente diagrama:

Sistema Radial con Discriminación de Tiempo. Fuente: ALSTOM GRID.
Sistema Radial con Discriminación de Tiempo. Fuente: ALSTOM GRID.

La protección contra sobrecorriente de tiempo inverso se proporciona en B, C, D y E. El relé en B se configura con el menor retardo posible para permitir que se funda el fusible ante una falla en A en el lado secundario del transformador. Una vez transcurrido el retardo, si la falla persiste, el contacto de salida del relé en B se cierra para disparar el disyuntor. El relé en C tiene un ajuste de retardo de tiempo igual a t1 segundos, y lo mismo ocurre con los relés en D y E.

Si ocurre una falla en F, el relé en B operará en t segundos y la operación posterior del disyuntor en B eliminará la falla antes de que los relés en C, D y E tengan tiempo de operar. El intervalo de tiempo t1 entre cada ajuste de tiempo del relé debe ser lo suficientemente largo para garantizar que los relés aguas arriba no funcionen antes de que el disyuntor en la ubicación de la falla se haya disparado y despejado la falla.

Discriminación por Corriente

La discriminación por corriente se basa en el hecho de que la corriente de falla varía con la posición de la falla debido a la diferencia en los valores de impedancia entre la fuente y la falla.

Sistema Radial con Discriminación de Corriente. Fuente: ALSTOM GRID.
Sistema Radial con Discriminación de Corriente. Fuente: ALSTOM GRID.

Por lo tanto, normalmente, los relés que controlan los distintos disyuntores se configuran para funcionar a valores de corriente adecuadamente reducidos, de modo que sólo el relé más cercano a la falla dispare su interruptor.

Conclusión

El estudio de coordinación de sobrecorriente se debe realizar en todos los proyectos eléctricos, ya sea de baja, media o alta tensión. Independientemente de que se utilicen fusibles, MCB, MCCB, ACB, o relés numéricos con interruptores de media y alta tensión, todos estos dispositivos deben estar configurados adecuadamente para lograr la seguridad de los criterios de protección. De lo contrario, el sistema eléctrico puede estar sujeto a daños, incendios o explosiones que atenten contra la vida de las personas y contra la infraestructura civil.

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Fuentes

IEEE Std. 242-2001. Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power System.

ALSTOM GRID. Network Protection and Automation Guide.

Protection Relays :: GE Grid Solutions

SIPROTEC 5 – Protection relays

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