Selectividad de interruptores automáticos de potencia BT.

Técnicas de selectividad específicas de los interruptores automáticos de potencia BT. Estos aparatos se caracterizan por su gran calibre (800 A a 6300 A) y su situación en cabeza de la instalación BT, instalados generalmente a continuación de un transformador MT/BT

1.1 Introducción
En una distribución radial (figura 1) el objetivo de la selectividad es desconectar de la red el receptor o la derivación de salida defectuosa y sólo ésta, manteniendo en servicio la mayor parte posible de la instalación.
Permite también aunar seguridad y continuidad del servicio facilitando la localización de los defectos. Es un concepto especialmente importante para los aparatos de gran potencia y, puesto que están instalados en cabeza de la instalación, su disparo injustificado tiene consecuencias muy graves.
La selectividad es total si queda garantizada para cualquier valor de corriente de defecto hasta el valor máximo disponible en la instalación. En caso contrario se llama «selectividad parcial».

Los defectos que se producen en una instalación son de diversos tipos:
• Sobrecarga,
• Cortocircuito,
• Derivaciones de corriente a tierra,
• Bajadas de tensión o incluso cortes momentáneos de la alimentación.

En esta ocasión analizaremos las dos primeras
2 La selectividad en función de los tipos de defecto.
Sobrecargas
Estas sobrecorrientes están comprendidas entre 1 y 10 veces la intensidad de servicio. Su eliminación debe hacerse en un tiempo compatible con la resistencia térmica de los conductores afectados. El tiempo de disparo es generalmente inversamente proporcional al cuadrado de la corriente (disparo llamado «a tiempo inverso»).
La selectividad de los interruptores automáticos se aplica comparando las curvas tiempo/intensidad de los disparos de largo retardo afectados por el defecto (figura 2). Esta selectividad queda asegurada si, para cualquier valor de la corriente de sobrecarga, el tiempo de no disparo del interruptor aguas arriba, D1, es superior al tiempo máximo de corte del interruptor automático D2 (incluido el tiempo de extinción del arco). Esta condición se cumple en la práctica si la razón Ir1/Ir2 es mayor que 1,6.

Cortocircuitos
Debido a la amplitud de las corrientes de cortocircuito y sobre todo a la presencia de los arcos eléctricos que normalmente le acompañan, los circuitos afectados deben de quedar interrumpidos casi instantáneamente, en menos de algunas centenas de milisegundos.

Los tiempos y corrientes no son el único criterio de discriminación. Según los casos, hay que tener presente la corriente de cresta, de la limitación, o de la combinación de tiempo y de corriente (por ejemplo, ∫ i2 dt). Por tanto, es necesario referirse a las tablas de selectividad publicadas por los fabricantes de los interruptores automáticos instalados.
Las técnicas que permiten obtener la selectividad frente al cortocircuito entre dos interruptores automáticos son variadas y se presentan a continuación.

2 Las técnicas de selectividad con cortocircuitos.
Mejorar la selectividad consiste normalmente en «frenar» el disparo de un determinado interruptor automático respecto al de los interruptores automáticos situados aguas abajo en la instalación.

Este objetivo se consigue:
• O ajustando de forma diferente los umbrales de disparo (selectividad ampermétrica)
• O retardando algunas decenas o centenas de milisegundos el disparo del interruptor aguas arriba (selectividad cronométrica),
• O utilizando criterios de discriminación más elaborados, por ejemplo la detección de un número de ondas de corriente, o la forma de estas ondas (∫ i dt, ∫ i2 dt , etc.), (selectividad «energética»),
• informando un interruptor automático al otro, de que ha sobrepasado su umbral (selectividad lógica).

2.1 Selectividad ampermétrica
Se obtiene ajustando los umbrales de disparo de los relés instantáneos o de corto retardo de los interruptores automáticos en serie dentro del circuito. Se utiliza normalmente en el caso de defectos de cortocircuito y lleva generalmente, si no va asociada a otra selectividad, a una selectividad parcial limitada al umbral de actuación del aparato aguas arriba (figura 4).
La selectividad queda asegurada si el umbral máximo del relé del aparato aguas abajo es inferior al umbral mínimo del aparato aguas arriba, incluidas todas las tolerancias.

2.2 Selectividad cronométrica
Para asegurar la selectividad más allá del margen de corto retardo (ICR1) del aparato aguas arriba, es posible utilizar una temporización, ajustable o no, del relé del aparato aguas arriba, D1 (figura 5). Esta solución no puede adaptarse si no es con la condición de que el aparato pueda soportar la corriente de cortocircuito durante el tiempo de la temporización. Por tanto, solamente puede utilizarse con los aparatos de gran resistencia electrodinámica, llamados también «selectivos».
Con dos interruptores automáticos en serie, las dos posiciones de temporización, cuando existen, se ajustan de tal manera que sean selectivas entre ellas. El tiempo máximo de actuación en una posición de ajuste determinada, incluido el tiempo de corte, debe de ser menor que el tiempo mínimo de detección de la siguiente posición de ajuste.

2.3 Selectividad energética.
Estos principios, desarrollados por Schneider Electric, son especialmente útiles para aparatos de media potencia (100 a 630 A) donde la limitación es una necesidad. En efecto, estos aparatos, con una repulsión electrodinámica muy activa, no pueden soportar una temporización de varias centenas de milisegundo. La selectividad cronométrica con el interruptor automático aguas abajo no puede por tanto utilizarse, o queda limitada a un valor de corriente muy bajo.
La solución consiste en utilizar criterios de disparo más elaborados que el simple valor de la corriente y el tiempo, en general una combinación de estas dos magnitudes, por ejemplo: ∫ i2 dt. Permiten garantizar la selectividad en varios escalones, limitando considerablemente los esfuerzos térmicos y electrodinámicos en la instalación.
El detalle de este tipo de selectividad lo trataremos en un artículo aparte.

2.4 Selectividad lógica
Este sistema requiere la transferencia de información entre los relés de los interruptores automáticos de los diferentes escalones de la distribución. Su principio es sencillo (figura 6):
Un relé que ve una corriente mayor que su umbral de funcionamiento envía una orden lógica de temporización al relé del interruptor automático inmediatamente superior a él. La temporización será la fijada en el relé.

• El relé del interruptor automático situado inmediatamente aguas arriba del cortocircuito, puesto que no recibe orden de espera, actúa inmediatamente, sea cual sea su temporización.
La selectividad lógica es un aditivo a la selectividad cronométrica. Permite reducir los tiempos de eliminación de los defectos, lo que reduce considerablemente las sobrecargas sobre la instalación. Se aplica a los interruptores automáticos BT selectivos de gran intensidad, pero también se está utilizando en las redes AT industriales. Necesita relés que sean compatibles entre sí.

2.5 Utilización de los diferentes tipos de selectividad
La elección de un tipo de selectividad en una distribución eléctrica se hace en función del tipo de aparato y de su situación en la instalación. Para obtener la mejor disponibilidad de la energía eléctrica, pueden combinarse diferentes técnicas entre cada dos aparatos; ver ejemplo, figura 7. La selectividad ampermétrica es, en todos los casos, el primer objetivo a conseguir.

En un proyecto eléctrico dependiendo del tipo de instalación, se puede desarrollar su ingeniería considerando selectividad parcial (edificio de oficinas, pequeña industria, etc.) o selectividad total (industria química, hospitales, mall, etc.), el análisis debe comenzar desde el interruptor que se encuentra más alejado del punto de empalme, «el que se encuentra más aguas abajo de la red» y se comparará la curva que posee este interruptor con la curva del interruptor que primero le sigue «aguas arriba».
En la figura 8 se aprecia que el interruptor C, está aguas abajo del interruptor B y este está aguas abajo del interruptor A. Así, se deberán comparar las curvas entre los interruptores B y C y posteriormente las curvas entre los interruptores A y B.

Fig. 8: Ejemplo de las protecciones que posee una instalación. La comparación se hace trasponiendo ambas curvas, sobre un mismo gráfico logarítmico y el resultado gráfico puede tener dos posibles resultados:
• Si las curvas se cruzan significa que no existe selectividad.
• Si las curvas no se cruzan significa que hay selectividad.
Pero en el segundo caso, ¿Cómo sabemos si esta selectividad es total o parcial?, figura 9, si volvemos a mirar las curvas esto ya no es tan fácil de verificar.
Para ello, los grandes fabricantes de equipos de protección, han desarrollado software que permiten no solo comparar las curvas que poseen los interruptores, sino que además, se puede verificar si existe o no selectividad y si esta es total o parcial, aumentando la confiabilidad y la rapidez del resultado.
En la figura 9 podemos ver claramente que hay selectividad entre dos interruptores, pero sólo el software entrega el resultado si esta selectividad es total o parcial, en este caso es parcial, ya que lo indican las marcas P1 y P2. P1 indica que hay selectividad parcial hasta 3,6KA, mientras que la marca P2 indica donde se encuentran en el grafico los 3,6KA, que significa esto, si existe una falla bajo los bornes del interruptor C, con un valor de corriente inferior o igual a 3,6KA, el fabricante asegura la selectividad total, pero si la misma falla presenta un valor superior a 3,6KA, cualquiera de los dos interruptores puede abrir, por esto, es que se llama «Selectividad Parcial».
Si el proyecto considera selectividad total la combinación de los interruptores del ejemplo no cumple con la especificación y se debe cambiar el interruptor aguas arriba. El mismo software permite eliminar una curva y agregar otra de otro interruptor rápidamente, así tenemos como resultado la figura 10, que muestra que esta nueva combinación de interruptores posee selectividad total. 

Lo apreciamos ya que P1 indica «Selectividad Total» y porque P2 no aparece, esto significa, que ante una falla de cualquier valor de KA la combinación de ambos interruptores será siempre selectiva.Una vez que logramos la selectividad total entre los interruptores B y C, debemos lograr la selectividad total entre los interruptores A y B, y así ir escalando aguas arriba hasta llegar al interruptor principal.
Así podemos lograr curvas como la de la figura 11, que muestra las curvas de cada uno de los distintos interruptores, desde el más pequeño ubicado al final aguas abajo, del tipo modular hasta 120A, los interruptores caja moldeada, interruptores que se encuentran en los distintos tableros de distribución con calibres hasta 3200A y los interruptores cabecera del tipo corte en aire con calibres hasta los 6300A.
Las unidades de protección van desde las termomagnéticas hasta las electrónicas, estas últimas pueden ser básicas y muy avanzadas, las que me permiten modificar la curva de protección en umbrales de corriente, tiempo, y energía.

Como se darán cuenta lograr esto «a mano» y para cada uno de los interruptores que componen un proyecto eléctrico se vuelve un trabajo poco efectivo, largo y con muchas posibilidades de error.
La tecnología actual permite casi no cometer errores, desarrollando proyectos en menor tiempo y con la seguridad absoluta de que todo está bien proyectado, logrando la selectividad total que muchos clientes necesitan. Por eso, para estos proyectos, lo mejor es trabajar con un solo fabricante que le permita no solo instalar equipos de buena calidad, sino que además, le entregue instalaciones inteligentes que permitan ante fallas discriminar correctamente donde está el problema, eliminando los defectos en el punto más cercano a dicha falla, permitiendo que el mayor porcentaje de la instalación siga trabajando, disminuyendo así considerablemente las pérdidas por las paradas de planta no deseadas.

Agradecimientos a Fuente: Product Application Engineer Merlin Gerin. Schneider Electric Chile.