Detección de fallas en sistemas eléctricos

Sobrecorriente más de 800 amperios

En el artículo 240.4(C) de NEC, se describe el uso de OCPD limitadores de corriente de más de 800 amperios, y este es más prescriptivo que el 240.4(B) de NEC. En esta sección del código, se establece que el OCPD debe tener una ampacidad igual o superior a la de los conductores protegidos. Con un OCPD de más de 800 amperios, el diseñador suele dimensionar un alimentador de tablero de distribución o un transformador grande.

Ejemplo (suponiendo las mismas condiciones que el ejemplo anterior y que no es necesario reducir la potencia para el cableado dentro del edificio):

Carga:

• (Dos) tableros
• Tablero 1: 250 kVA Código N y 20 kVA Código L
• Tablero 2: 400 kVA Código N y 100 kVA Código L
• Total = 120 kVA x 1,25 + 650 kVA = 800 kVA
• Corriente = 800 kVA a 480 V/tres fases = 963 amperios
• Ampacidad del cable: El KCM No. 400 tiene una capacidad nominal de 335 amperios; la ejecución de (tres) conjuntos en paralelo permite una capacidad de cableado de 1.005 amperios
• OCPD que es igual o menor que la ampacidad: 1.000 amperios
• 1.000 amperios: (tres) 4 pulgadas, cada uno con cuatro KCM No. 400 y uno de descarga a tierra No. 1/0 (consulte la Figura 1 para ver más ejemplos).

Transformadores

La protección del circuito del transformador se describe en el artículo 450 de NEC, específicamente el 450.3. Una instalación comercial típica tendrá voltajes de utilización de 120/208 V y 277/480 V con un transformador interior; estos voltajes usarán la tabla 450.3(B) de NEC para transformadores OCPD de 1.000 V o menos.

Hay dos configuraciones distintas de protección de circuito para transformadores: protección primaria solamente o protección primaria y secundaria. Estos requisitos se describen en el artículo 240.21 de NEC. La protección primaria únicamente se describe en el artículo 240.21(C)(1) de NEC, y se permite para algunos transformadores monofásicos o multifásicos conectados delta-triángulo. Lo más habitual es que se requiera una protección primaria y secundaria para el transformador. Para estos requisitos, el artículo 240.21(C) de NEC se aplicará en diferentes escenarios según la longitud de los conductores secundarios. 

Por ejemplo, una instalación está equipada con un transformador de 75 kVA con un primario de tres fases con 3 cables de 480 V y un secundario de tres fases con 4 cables de 120/208 V. El transformador está en el interior con un alimentador secundario de 15 ' de largo, por lo que se requiere que tenga protección primaria y secundaria (artículos 240.4[F] y 240.21[C][6] de NEC).

Amperios primarios de carga completa (FLA, Full Load Amps): 75.000 VA/480 V x 1,73 = 90,3 amperios

• FLA x 2,5 = 225,8
• OCPD primario: hasta el 250 % del FLA, hasta 225 amperios según la tabla 450.3(B) de NEC, recomendado 125 amperios

FLA secundario: 75.000 VA/208 V x 1,73 = 208,4 amperios

• FLA x 1,25 = 260,5
• OCPD secundario: hasta 125 % de FLA, hasta 275 amperios por NEC Tabla 450.3 (B), 225 amperios recomendados

Algunas notas: Se recomienda 125 amperios como OCPD primario; sin embargo, este OCPD debe trazarse contra la corriente de entrada del transformador porque un tamaño más bajo podría resultar en un disparo molesto del OCPD primario. Además, el OCPD secundario se debe coordinar con cualquier carga de irrupción alta para garantizar que no ocurran disparos en falso de la carga.

Las instalaciones externas y las instalaciones de más de 1.000 V no se cubrieron, pero se describen en NEC 450. Consulte la Figura 2.

Protección del circuito de falla a tierra

La protección de fallas a tierra es otro diagrama común de protección de circuitos. En general, se entiende que las fallas individuales de línea a tierra se encuentran entre los tipos de fallas más comunes. El objetivo principal de la protección contra fallas a tierra es desconectar el circuito en caso de una falla de línea a tierra. Mediante la protección, se abrirán o se despejarán todos los conductores no puestos a tierra para eliminar la falla del sistema. Hay dos niveles diferentes de protección contra fallas a tierra. La protección del circuito de falla a tierra para el personal varía de 4 a 6 mA y se conoce como interruptor de circuito de falla a tierra (GFCI, Ground-Fault Circuit Interrupter). La protección de falla a tierra del equipo tiene una protección mayor de 30 mA. El ejemplo más común de protección del personal se ve en la mayoría de las ocupaciones y suele estar a 6 ' del agua estancada, que es un receptáculo de tipo GFCI estándar y se rige principalmente por el artículo 210.8 de NEC. La protección de equipos de mayor categoría se utiliza, en su mayor parte, para la protección de servicios, elementos de calefacción eléctrica, equipos o alimentadores grandes; se describe principalmente en los artículos 210.13 y 230.95 de NEC para sistemas en estrella sólidamente conectados a tierra que son más de 150 V a tierra y menos de 1.000 V fase a fase y en o más de 1.000 amperios. El objetivo principal de este tipo de protección son los conductores y el equipo del lado de la carga que se encuentran hacia abajo de la desconexión de 1.000 amperios o más. El requisito de la protección de equipos contra fallas a tierra (GFEP o GFP, Ground Fault Equipment Protection) en los alimentadores de servicios es eliminar las fallas a tierra de nivel inferior en estos servicios. Una falla a tierra típica en estos sistemas no será detectada por un interruptor de mayor ampacidad porque estas fallas pueden ser sustancialmente menores a 1.000 amperios y aun así pueden causar daños. Además, la GFEP es una necesidad para equipos fijos de derretimiento de nieve en exteriores (artículo 426.28 de NEC) y para rastreabilidad de calor (artículo 427.22 de NEC). 

La forma más fácil de incluir la GFEP sería agregar un circuito de detección neutral al disyuntor principal, que compararía esta corriente neutral con las corrientes de fase para detectar un desequilibrio. En un sistema con fusibles, los fusibles solo son inherentemente capaces de eliminar fallas de alto amperaje. Para fallas a tierra de alta impedancia de bajo nivel, se debe complementar el fusible con controles en el interruptor o en el contacto. Esto se suele realizar a través de la adición de relés o circuitos de detección que pueden abrir automáticamente el interruptor.

La protección del interruptor de circuito de falla de arco (AFCI, Arc-Fault Circuit Interrupter) está ganando bastante tracción en los ciclos de código recientes y está destinada principalmente a prevenir una falla de tipo arco que podría provocar un incendio. Los dispositivos AFCI se requieren principalmente en viviendas o en dormitorios. El artículo 210.12 de NEC rige la aplicación de dispositivos tipo AFCI, y la adición más reciente a esta sección del código son los cuartos de huéspedes, según el artículo 210.12(C) de NEC. Estos dispositivos se diferencian del GFCI en que monitorean la onda sinusoidal electrónicamente y determinan si se producen arcos a frecuencias predeterminadas. Si esto ocurre, el AFCI abrirá el circuito y eliminará el peligro de formación de arco. El AFCI se introdujo por primera vez en el código en el ciclo de código NEC de 1999 y se ha expandido continuamente cada año. Consulte la Figura 3. 

Protección de circuitos para motores

Por lo general, el dispositivo OCPD de un motor está diseñado para proteger el motor de cortocircuitos y fallas a tierra, y no para proteger al cable de sobrecarga. En su lugar, el motor estará equipado con un dispositivo de sobrecarga, a menudo integrado en el controlador, que protegerá al motor y al alimentador del circuito derivado del calentamiento excesivo debido a una sobrecarga del motor o a una falla en el arranque (artículo 430.31 de NEC). Hay algunas excepciones a esto, como los motores conectados por cable y enchufe (artículo 430.42[C] de NEC). Esto también evita que el OCPD realice disparos en falso durante el arranque del motor.

Ejemplo: un edificio tiene una bobina de ventilador monofásica de 120 V y ½ hp. Para proteger esto adecuadamente, primero nos referiremos a la tabla 430.248 de NEC para conocer el FLA, que se encuentra en 9,8 amperios. En la tabla 430.52 de NEC, se puede determinar que el OCPD de un disyuntor de caja moldeada estándar (MCCB, Molded-Case Circuit Breaker) puede ser de un máximo del 250 % del FLA. En esta aplicación, el tamaño recomendado es de 20 amperios, que es el tamaño estándar más alto por debajo del máximo de 250 %. Hay que tener en cuenta que el código permite utilizar un MCCB de 25 amperios; sin embargo, esto no es lo ideal según el artículo 430.52(C)(1), excepción No. 2(c) de NEC. Consulte la Figura 4. 

Cortocircuitos en sistemas de distribución eléctrica

Los sistemas de distribución eléctrica requieren un estudio de cortocircuito en profundidad con el fin de revelar las áreas que necesitan mayores clasificaciones de capacidad de interrupción de amperios (AIC, Ampere-Interrupting-Capacity) para el equipo. Si esto no se coordina, puede ser catastrófico. Si un disyuntor tiene un cortocircuito que excede su clasificación AIC, el disyuntor puede explotar o derretir los contactos, lo que no eliminará la falla. Para evitar esto, el ingeniero puede clasificar completamente todos los interruptores para la corriente de interrupción más alta o clasificar en serie los interruptores. La aplicación de una clasificación en serie es el método de usar la protección ascendente para despejar el cortocircuito y, al mismo tiempo, evitar daños descendentes. Este método generalmente se aplica entre un disyuntor principal y los interruptores de circuitos derivados descendentes. Por ejemplo, un disyuntor de circuito derivado clasificado en serie puede ser un disyuntor de 10.000 AIC o 10 KAIC (K indica mil) con un disyuntor principal de 22 KAIC (sistema 120/208 Y), lo que permite que el disyuntor principal del panel elimine la falla de cortocircuito mientras protege las cargas. Esto también se explora en instalaciones que tienen muchas fallas entrantes disponibles de la empresa de servicios públicos, a las que les gustaría ahorrar costos durante la fase de construcción, ya que los disyuntores AIC más altos suelen ser mucho más caros. Una desventaja de este diagrama sería que la falla ahora desenergizará todo el tablero en lugar de un circuito derivado individual. Esto viola claramente cualquier grado de coordinación selectiva y no se puede aplicar a los sistemas de emergencia (artículo 700 de NEC), a los sistemas legalmente requeridos (artículo 701 de NEC), a los sistemas de atención médica (artículo 517.26 de NEC) o a la distribución de ascensores (artículo 620.16 de NEC). En el artículo 240.86 de NEC, se describen los métodos para aplicar una calificación de serie.

Cabe señalar que, actualmente, ningún programa computarizado puede determinar los valores nominales en serie de los disyuntores, y los disyuntores compatibles solo se determinan mediante pruebas. En la actualidad, ningún fabricante importante de disyuntores quiere obtener una clasificación de serie UL con los dispositivos de la competencia. Por lo tanto, todo el sistema que se va a clasificar en serie debe ser del mismo fabricante para permitir una clasificación en serie.

Esta es una preocupación que debe abordarse en un diagrama de protección de circuitos. Durante el diseño, el ingeniero debe realizar un cálculo de fallas de todos los alimentadores del proyecto, desde el servicio público hasta todos los tableros de la propiedad. Si es necesario para cumplir con las restricciones presupuestarias, se puede aplicar una calificación de serie. Se debe tener en cuenta que la clasificación en serie solo se debe aplicar después de realizar un estudio de cortocircuito en profundidad durante la construcción, con longitudes de alimentación más precisas, tipos de cables, etcétera.

En un sistema estándar, se suele aceptar que se dé preferencia a los equipos con capacidad nominal completa y que se minimicen, si no se eliminan por completo, las capacidades en serie. Inevitablemente, en una propiedad existente o en una propiedad grande que puede tener varias expansiones y renovaciones, se pueden agregar algunas piezas de equipos clasificados en serie. Sin embargo, el equipo de clasificación en serie restringe las adiciones futuras y limita las opciones futuras del fabricante para el equipo; por lo tanto, no suele recomendarse.

Minimizar los cortes con coordinación selectiva

Uno de los conceptos más importantes en un esquema de protección de circuitos es minimizar los cortes en el dispositivo de ramal en el que ocurrió la falla o el corte. Aquí es cuando se aplica el concepto de coordinación selectiva. En resumen, la coordinación selectiva es la selección de OCPD de tal manera que el dispositivo descendente más alejado se dispare antes de que se dispare el OCPD ascendente. Por ejemplo, si ocurre una falla en un circuito derivado de iluminación de emergencia, puede llevarse corriente hacia arriba a un OCPD principal del tablero de distribución de 42 circuitos y abrir este dispositivo. Por lo tanto, la instalación perdería un tablero completo de 42 circuitos en lugar del circuito derivado único. Debido a esta preocupación, NEC ha desarrollado un código para exigir la coordinación selectiva de las cargas de seguridad humana y los sistemas legalmente requeridos (artículos 700.32 y 701.27 de NEC). En general, una relación de coordinación de 2,5:1 logrará la coordinación con la mayoría de los MCCB, mientras que una relación menor de 2:1 logrará la coordinación con la mayoría de los fusibles.

Más allá de las relaciones simples anteriores, los estudios de coordinación selectiva son necesarios para confirmar la coordinación de los interruptores. Esto a menudo se incluye en un estudio general de arco eléctrico, coordinación selectiva y cortocircuito. Para este estudio, se superpondrán varios interruptores y sus curvas de tiempo-corriente (TCCs, Time-Current Curves) asociadas, y se determinará el nivel de coordinación en función de las regiones superpuestas.

Lo mejor es utilizar tableros de coordinación con fusibles y fusibles ascendentes o disyuntores de disparo electrónico ajustables para los sistemas 700 y 701 de NEC. Esto permitirá tener un grado más fácil de coordinación y, con las proporciones mencionadas anteriormente, se debería resolver la mayoría de los problemas de coordinación selectiva. Por supuesto, cada proyecto presenta un nuevo conjunto de problemas y se debe analizar en un estudio de coordinación completa para su verificación.

Cabe señalar que NEC requiere un grado completo de coordinación, lo que implica que se debe tomar la coordinación desde el tiempo cero. Sin embargo, los fabricantes no pueden publicar los resultados en el tiempo cero, por lo que 0,01 segundos es un tiempo aceptado para un rango bajo de TCC. Consulte las Figuras 5, 5a y 5b 

Peligros del arco eléctrico

Casi todos los equipos eléctricos se inspeccionarán o repararán de alguna forma al mismo tiempo. Se recomienda que cualquier servicio se lleve a cabo en equipos sin energía, pero hay casos en los que no es posible una interrupción programada. En estos casos, el electricista con licencia está expuesto a muchos peligros. El arco eléctrico es uno de esos peligros y un riesgo significativo para la vida humana y para la infraestructura eléctrica.

El riesgo de arco eléctrico se crea tras combinarse tres problemas: falla disponible, distancia/espacio libre de trabajo y tiempo de despeje del dispositivo. Al diseñar un esquema de protección de circuitos, el elemento principal dentro del control directo del diseñador es el tiempo de despeje del dispositivo. La falla disponible es una función del servicio público y de las impedancias de los transformadores del sistema. Aunque esto se puede controlar durante el proceso de diseño, a menudo es una forma ineficiente de manejar el arco eléctrico. Luego, la distancia de trabajo seguirá siendo una distancia de aproximación fija, ya que el técnico deberá estar físicamente lo suficientemente cerca para completar el trabajo requerido. Esto deja el tiempo de limpieza del dispositivo para que el diseñador lo maneje. En la edición de 2017 de NEC, se reconoce esta información y se incluye el requisito de que el tiempo de despeje se incorpore en la etiqueta de arco eléctrico del equipo de servicio, según el artículo 110.16(B)(3) de NEC.

Durante el proceso de diseño, reducir el tiempo de despeje a un nivel mínimo será directamente contrario a la coordinación selectiva. Estos dos conceptos son muy opuestos. Por esta razón, una de las soluciones más comunes para la reducción de los relámpagos de arco, que exige el artículo 240.87 de NEC para los ajustes de disparo de 1.200 amperios o más, es el uso de un interruptor de mantenimiento en el equipo. Esto permite que el electricista active un nivel de protección más sensible en el equipo (ajustes de disparo más rápidos en los OCPD controlados electrónicamente). Efectivamente, se producirá una descoordinación aguas arriba; sin embargo, mientras el electricista está trabajando, la mayor preocupación es la preservación de la vida humana y no un corte del sistema. Una vez que se complete el trabajo requerido, el electricista colocará el interruptor de mantenimiento en "desconectado", lo que restablecerá la configuración previamente coordinada. No existe una solución única para la reducción de la energía del arco eléctrico y, a menudo, es prudente incorporar tantas protecciones como sea posible. Otro esquema de protección es el uso de un equipo de conmutación resistente al arco. Por definición, el equipo de conmutación resistente al arco mitiga los peligros del arco eléctrico a través de soportes reforzados y proporcionando vías de descarga para la presión del arco eléctrico. Sin embargo, el equipo de conmutación resistente al arco normalmente necesitará abrirse para que se realice la mayor parte del trabajo, por lo que esto anularía muchos de los beneficios del equipo de conmutación.

Otra solución para cumplir con el artículo 240.87 de NEC es el bloqueo selectivo de zona (ZSI, Zone-Selective Interlocking). El ZSI es el uso de disyuntores ajustables electrónicamente para despejar una falla rápidamente mientras se mantiene una coordinación selectiva. Este bloqueo funciona con un conjunto de interruptores electrónicos en red. Cuando se detecta una condición de falla, el interruptor más cercano a la falla envía una señal de bloqueo a cualquier otro interruptor para mantener su configuración de disparo preestablecida, mientras que el interruptor más cercano anula la configuración de tiempo corto preestablecida y se dispara sin demora. Esto eliminará la falla lo más rápido posible mientras se mantiene la coordinación. Además, al enviar una señal de bloqueo en la que el interruptor ascendente mantiene los ajustes de disparo preestablecidos, el interruptor ascendente seguirá estando disponible para abrirse en caso de que el interruptor descendente no despeje la falla.

Relés de protección

La protección de relé es una capa adicional de protección que puede variar desde una simple protección de un solo punto hasta una protección zonal complicada. Los esquemas de relés de protección generalmente se ven en grandes distribuciones estilo campus, equipo de conmutación en paralelo, alimentadores de generadores y otros sistemas complicados. El relé de protección en su forma más simple es el uso de un relé de detección externo que luego activará el disyuntor o interruptor para abrir o eliminar la condición de falla que el relé ha detectado. Estos dispositivos utilizan la misma funcionalidad de los dispositivos dedicados mencionados anteriormente; sin embargo, utilizan un microprocesador para luego proporcionar la funcionalidad de varios dispositivos y se pueden personalizar para condiciones y anomalías específicas del emplazamiento.

Hay muchos niveles de protección que se describen en la norma ANSI/IEEE C37.2-2008 Números de función, acrónimos y designaciones de contacto de dispositivos de sistemas de potencia eléctrica estándar (2008). Las funciones del OCPD o relé se caracterizan por un número, por ejemplo, 87 indica relé diferencial, 27 es para bajo voltaje, 67 es para sobrecorriente direccional de CA, etcétera. Estos dispositivos se pueden utilizar para implementar cualquiera de los diagramas de protección de este artículo y muchos otros diseños. Son un complemento de los dispositivos dedicados antes mencionados y siempre se deben considerar en los dispositivos que requieren varios niveles de protección. 

Stephen Berta es consultor de proyectos en NV5. Tiene experiencia en proyectos de educación, hospitales, juegos y centros de datos.