Coordproteccion

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
COORDINACIÓN DE PROTECCIONES PARA UN
SISTEMA ELÉCTRICO INDUSTRIAL
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
P R E S E N T A N
ROMÁN GALVÁN HERNÁNDEZ
FRANCISCO JAVIER ROSAS REYES
JORGE SANTANA GARCÍA
ASESORES:
Dr. DAVID SEBASTIÁN BALTAZAR
M. en C. RENÉ TOLENTINO ESLAVA
MÉXICO, D.F. DICIEMBRE 2009

ÍNDICE
RESUMEN........................................................................................................................ i
INTRODUCCIÓN..............................................................................................................ii
OBJETIVO.......................................................................................................................iv
RELACIÓN DE FIGURAS ............................................................................................... v
RELACIÓN DE TABLAS .................................................................................................ix
CAPÍTULO I PROTECCIONES PARA UN SISTEMA ELÉCTRICO
1.1 Generalidades de los fusibles..........................................................................1
1.1.1 Clasificación de los fusible ...................................................................3
1.1.2 Curvas características de los fusible...................................................11
1.2 Relevadores de protección ............................................................................16
1.3 Interruptores termomagnéticos y electromagnéticos .....................................25
CAPÍTULO II CÁLCULO DE CORTOCIRCUITO
2.1 Clasificación de las fallas eléctricas industriales ...........................................29
2.2 Fuentes y comportamiento transitorio de las corrientes de cortocircuito ......35
2.2.1 Fuentes que contribuyen a la falla ......................................................35
2.2.2 Reactancia de las máquinas rotatorias ...............................................38
2.3 Criterios de aplicación en la selección de protecciones.................................40
2.3.1 Características de los dispositivos de protección................................41
2.3.2 Esquemas de protección.....................................................................43
2.4 Método de valores en por unidad para el cálculo de corrientes de
cortocircuito ...................................................................................................44
2.4.1 Cambio de base para los valores en por unidad.................................45
2.4.2 Cálculos de las corrientes de falla trifásicas del sistema ....................50
2.4.3 Cálculos de las corrientes de falla monofásicas del sistema ..............58
CAPÍTULO III SELECCIÓN DE PROTECCIÓN PARA EQUIPOS ELÉCTRICOS
3.1 Transformadores ...........................................................................................62
3.1.1 Curva ANSI. (American National Standard Institute)...........................62

3.1.2 Limites NEC (National Electric Code) ................................................65
3.1.3 Selección de protección de los Transformadores ...............................66
3.2 Motores eléctricos..........................................................................................87
3.2.1 Protección de motores ........................................................................88
3.2.2 Curvas de arranque ............................................................................90
3.2.3 Selección de protección en los motores eléctricos..............................92
3.3 Conductores eléctricos ................................................................................107
3.3.1 Protección de conductores eléctricos................................................107
3.3.2 Curvas de daño de conductores eléctricos .......................................108
3.3.3 Selección de protecciones de los cables ..........................................114
CAPÍTULO IV COORDINACIÓN DE PROTECCIONES
4.1 Coordinación de protecciones en un sistema eléctrico industrial.................116
4.1.1 Coordinación fusible relevador........................................................118
4.1.2 Coordinación relevador fusible.......................................................124
4.1.3 Coordinación fusible fusible ...........................................................125
4.1.4 Coordinación fusibleinterruptor ........................................................127
4.1.5 Coordinación relevador relevador...................................................128
4.2 Coordinación de protecciones para la protección de equipos eléctricos .....128
4.3 Simulación software Digsilent Power Factory versión 13.1 .........................144
4.4 Comparación de resultados.........................................................................147
CONCLUSIONES........................................................................................................ 157
REFERENCIAS........................................................................................................... 158
ANEXO A Curvas tiempocorriente de dispositivos de protección ...................... 160
ANEXO B Selección de protecciones ...................................................................... 168
ANEXO C Coordinación de protecciones por graficación ..................................... 187
ANEXO D Coordinación de protecciones con Digsilent Power Factory............... 199

i
RESUMEN
En el presente trabajo se analizó la coordinación de protecciones para un sistema
eléctrico industrial, donde se requirieron diferentes tipos de dispositivos de protección
para la detección y mitigación de las condiciones de falla, en el cual los dispositivos de
protección deben de ser dimensionados y coordinados de tal forma que solo debe de
operar el dispositivo de protección que se encuentre más cerca a la falla, si por alguna
razón el dispositivo no opera, entonces debe de operar el siguiente.
Se realizó el estudio de cortocircuito para conocer las corrientes máximas que circulan
encada uno de los elementos del sistema en caso de alguna falla, Los resultados de
dicho estudio permiten evaluar y especificar la capacidad de los equipos de maniobra
responsables de despejar las corrientes de falla (fusibles, interruptores y relevadores),
analizar los niveles de corriente de falla a los que estarán expuestos los componentes
del sistema (transformadores, cables, motores), y son insumos para los ajustes y
coordinación de las protecciones.
La coordinación de protecciones tiene como objetivo verificar la configuración de los
esquemas de protección, analizar los ajustes existentes y determinar los ajustes que
garanticen despejar selectivamente las fallas en el menor tiempo posible. El
procedimiento de coordinación de protecciones, consiste en el análisis grafico donde se
involucran las curvas características de los dispositivos de sobrecorriente que se
encuentran en serie, para poder así garantizar que el sistema es selectivo.
En base a los estudios realizados, podemos concluir que se obtuvo la coordinación de
protecciones para un sistema eléctrico industrial que garantiza la correcta operación de
los diferentes dispositivos de protección del sistema cuando se presente una falla,
garantizando así que los equipos no sufran daño alguno, o que el daño sea mínimo,
salvaguardando la integridad humana que se encuentren en el entorno y garantizando
la continuidad de producción de dicha industria.

ii
INTRODUCCIÓN
La evolución social, cultural y económica de la humanidad está relacionada íntimamente
con el dominio de la energía eléctrica, la cual es la principal herramienta que utiliza el
hombre para su desarrollo. Por otra parte, la creciente tendencia a un automatismo de
los procesos industriales y las actividades comerciales exigen cada vez más un
suministro de energía con alto grado de confiabilidad, es por ello que se requiere de un
sistema de protecciones para evitar o detectar de manera oportuna una situación
anormal o de falla.
La prevención de la lesión humana es el objetivo más importante de un sistema
eléctrico de protección, la seguridad del personal tiene prioridad aún por encima del
equipo o maquinaria, por lo cual al seleccionar un equipo de protección este debe
poseer una capacidad de interrupción adecuada para no exponer al personal a
explosiones, fuego, arcos eléctricos o descargas. Un dispositivo de protección también
debe tener la capacidad de actuar con rapidez ante una falla, asimismo debe ser capaz
de minimizar la corriente de cortocircuito y aislar la porción afectada, para impedir que
el daño se propague a todo el sistema eléctrico, y de esta manera evitar que los daños
sean considerables.
Actualmente los dispositivos de protección para un sistema eléctrico industrial son los
interruptores termomagnéticos, interruptores electromagnéticos, relevadores de
sobrecarga, relevadores diferenciales así como los fusibles. Cada uno de las
protecciones son utilizadas para resguardar los equipos que integran al sistema
industrial los cuales pueden ser los transformadores, motores y cables. Para evitar una
condición anormal del sistema eléctrico industrial se emplea la coordinación de
protecciones, cuya característica es hacer más seguro al sistema de protección,
mediante el arreglo y combinación de dispositivos de protección para detectar y liberar
la falla en el menor tiempo posible.

iii
La coordinación de protecciones consiste en procurar que los dispositivos de protección
sean selectivos, es decir que solo debe operar el dispositivo de protección que se
encuentre más cerca a la falla, si por alguna razón el dispositivo no opera, entonces
debe de operar el siguiente. Para lograr una operación selectiva, se debe de tener
cuidado de seleccionar los dispositivos de protección, con las características
interruptivas apropiadas y el conocimiento de sus curvas tiempocorriente, de cada uno
de los dispositivos de protección a emplear, siendo de esta manera que en el capítulo
uno se presentan algunos dispositivos de protección los cuales son empleados para la
protección de sistemas industriales y comerciales. Cuando no se realiza una
coordinación correcta, se presenta un desempeño insatisfactorio e inadecuado, que no
satisface los requerimientos de seguridad necesarios, produciendo daños al equipo y
componentes del sistema eléctrico además de generar pérdidas económicas.
Por tal motivo, la finalidad de este proyecto, es proporcionar la información necesaria
para que el usuario pueda seleccionar las protecciones adecuadas para su instalación o
sistema eléctrico por medio de coordinación de protecciones; tomando en cuenta el
nivel de tensión eléctrica. Otro de los aspectos importantes que se desea con este
trabajo es la de proporcionar los elementos fundamentales de información, como apoyo
en la manera y metodología para realizar la selección y coordinación de las
protecciones que se desean instalar en el sistema eléctrico.
La coordinación se llevo a cabo en un sistema eléctrico industrial conectado a un nivel
de tensión de 13,8 kV, fue necesario seguir las recomendaciones de la IEEE Std. 242.
(1986, 2001.), para la protección y coordinación de un sistema eléctrico industrial y
comercial, de esta manera se verificaron los parámetros necesarios para obtener un
buen desempeño de los dispositivos de protección. Se implemento el uso de un
software especializado para estos fines de nombre Digsilent Power Factory Versión
13.1. Para comparar los resultados obtenidos y verificar que fueran correctos además
se emplearon curvas tiempo corriente obtenidas de los fabricantes, para cada uno de
los equipos utilizados.

iv
La metodología seguida se presenta en los cuatro capítulos que conforman este
trabajo. El capítulo uno presenta todas las características con las cuales debe contar un
dispositivo de protección empleado para la protección. En el capítulo dos se presenta el
estudio de cortocircuito, para el cual es necesario contar con el diagrama unifilar, una
vez que se obtiene se calculan las corrientes de cortocircuito en cada uno de los puntos
que se protegerá. Una vez que se conocen los valores de corriente de cortocircuito, los
dispositivos de protección deben ser seleccionados de tal forma que sean capaces de
librar la falla de cortocircuito, esto se presenta en el capítulo tres. Finalmente se
procede a la coordinación mediante el empleo de las curvas tiempocorriente de los
equipos de protección y conociendo las curvas de daño de los equipos a proteger, esto
se presenta en el capítulo cuatro junto con la comparación de los resultados obtenidos
mediante la coordinación analítica junto con los obtenidos a partir del software.
OBJETIVO
Coordinar un sistema de protecciones para una red eléctrica industrial.

v
RELACIÓN DE FIGURAS
CAPÍTULO 1
Fig. 1.1 Partes de un fusible..................................................................................................... 1
Fig. 1.2 Clasificación de los fusibles......................................................................................... 3
Fig. 1.3 Fusible de simple expulsión tipo XS S&C Electric Mexicana ....................................... 5
Fig. 1.4 Fusible de tres disparos .............................................................................................. 6
Fig. 1.5 Fusible de vacío .......................................................................................................... 6
Fig. 1.6 Fusibles del tipo limitador de corriente AREVA T&D para 1200 A ............................... 7
Fig. 1.7 Fusibles en hexafluoruro de azufre (SF6) .................................................................... 8
Fig. 1.8 Fusible tipo SMS para 20 kA S&C Electric Mexicana ................................................. 9
Fig. 1.9 Curva promedio, tiempocorriente ............................................................................. 13
Fig. 1.10 Efecto limitador de corriente de los fusibles............................................................... 14
Fig. 1.11 Acción característica del fusible limitador de corriente............................................... 15
Fig. 1.12 Esquema básico de un relevador de protección ........................................................ 16
Fig. 1.13 Relevadores de atracción electromagnética .............................................................. 19
Fig. 1.14 Relevador de inducción electromagnética ................................................................. 20
Fig. 1.15 Relevador de sobrecorriente estático trifásico instantáneo y de tiempo..................... 22
Fig. 1.16 Relevador digital de sobrecorriente ........................................................................... 23
Fig. 1.17 Curvas características de relevadores de sobrecorriente microprocesador ............... 24
Fig. 1.18 Acción del interruptor con disparo térmico................................................................. 25
Fig. 1.19 Acción del interruptor con disparo magnético ............................................................ 26
Fig. 1.20 Acción del interruptor termomagnético ...................................................................... 26
Fig. 1.21 Curva del interruptor termomagnético para 250 A de Schneider Electric................... 27
Fig. 1.22 Interruptores termomagnéticos industriales ............................................................... 28
CAPÍTULO 2
Fig. 2.1 Condición de operación de un motor: a) Normal, b) Falla.......................................... 36
Fig. 2.2 Corriente de cortocircuito en un motor síncrono ........................................................ 37
Fig. 2.3 Corriente de cortocircuito producida por un generador.............................................. 38
Fig. 2.4 Variación de corriente de cortocircuito de una máquina rotatoria............................... 40
Fig. 2.5 Diagrama unifilar del sistema eléctrico industrial ....................................................... 51
Fig. 2.6 Diagrama equivalente de impedancias...................................................................... 55
Fig. 2.7 Diagrama de impedancias de la secuencia positiva õ en por unidad .................... 55
Fig. 2.8 Reducción para obtener impedancia õ de Thévenin en barra 1............................. 56

vi
Fig. 2.9 Diagrama de impedancias de la secuencia cero ð en por unidad ......................... 59
Fig. 2.10 Reducción para obtener impedancia ð de Thévenin en barra 1............................. 59
CAPÍTULO 3
Fig. 3.1 Curva ANSI para transformadores............................................................................. 63
Fig. 3.2 Curva de daño y energización de un motor ............................................................... 91
Fig. 3.3 Clasificación de conductores desnudos................................................................... 109
Fig. 3.4 Curva de daño de un conductor de cobre 1/0 AWG ................................................ 112
Fig. 3.5 Curva de daño de un conductor de cobre 3/0 AWG ................................................ 114
CAPÍTULO 4
Fig. 4.1 Diagrama de flujo para la coordinación de protecciones.......................................... 117
Fig. 4.2 Criterio de coordinación fusiblerelevador................................................................ 120
Fig. 4.3 Factor de corrección "kt" para fusibles de potencia de cualquier velocidad ............. 121
Fig. 4.4 Factor de corrección "kt" para fusibles de potencia de velocidad lenta.................... 121
Fig. 4.5 Factor de corrección "kp" para fusibles de potencia de cualquier velocidad ............ 122
Fig. 4.6 Factor de corrección "kp para fusibles de potencia de velocidad lenta .................... 122
Fig. 4.7 Criterio de coordinación fusiblerelevador, aplicando factores de corrección........... 123
Fig. 4.8 Criterio de coordinación relevadorfusible................................................................ 125
Fig. 4.9 Criterio de coordinación fusible fusible ................................................................... 127
Fig. 4.10 Criterio de coordinación fusible interruptor termomagnético .................................. 127
Fig. 4.11 Criterio de coordinación relevadorrelevador........................................................... 128
Fig. 4.12 Proceso de selectividad cuando ocurre una falla..................................................... 129
Fig. 4.13 Valores de corriente para 13,8 kV y su proporcionalidad a 69 kV............................ 130
Fig. 4.14 Coordinación de protecciones para motores 1, 2 y 3, transformador 2 y línea 2...... 133
Fig. 4.15 Coordinación de protecciones para motores 4, 5 y 6 y transformador 3 ................. 134
Fig. 4.16 Coordinación de protecciones para motores 7, 8 y 9 transformador 4 y línea 3....... 135
Fig. 4.17 Coordinación de protecciones para línea 2, línea 3, transformador 3 y línea 1........ 136
Fig. 4.18 Coordinación de protecciones para motor 10, 11 y 12, transformador 5 y línea 4. .. 137
Fig. 4.19 Coordinación de protecciones para motor 13 y transformador 6.............................. 138
Fig. 4.20 Coordinación de protecciones para motor 14, 15 y transformador 7........................ 139
Fig. 4.21 Coordinación de protecciones para transformador 6, 7 y línea 5 ............................. 140
Fig. 4.22 Coordinación de protecciones para motores 16, 17, 18, transformador 8 y línea 6.. 141
Fig. 4.23 Coordinación de protecciones para motores 19, 20, transformador 9 y línea 7........ 142
Fig. 4.24 Coordinación de protecciones para línea 1, 4, 5, 6, 7 y transformador 1....................144

vii
ANEXO A
A.1. Curva característica del interruptor termomagnético para 250 A NFS250 de Federal
Pacific by Schneider Electric ................................................................................... 161
A.2. Curva característica del interruptor electromagnético, 700 A de Schneider Electric 162
A.3. Curva clase C inversa ............................................................................................. 163
A.4. Curva clase C muy inversa...................................................................................... 164
A.5. Curva clase C extremadamente inversa.................................................................. 165
A.6. Curvas (TMF) de los fusibles limitadores de corriente 15 kV MT PROTELEC ......... 166
A.7. Curvas (TIT) de los fusibles limitadores de corriente 15 kV MT PROTELEC .......... 167
ANEXO B
B.1. Curva de daño del transformador de 12 500 kVA.................................................... 169
B.2. Curva de daño del transformador de 1 500 kVA...................................................... 170
B.3. Curva de daño del transformador de 500 kVA......................................................... 171
B.8. Curva de motor de 150 HP e interruptor termomagnético de 250 A......................... 176
B.9. Curva de motor de 250 HP y curva del relevador 51 ............................................... 177
B.15. Curva de motor de 1250 HP y curva del relevador 51 ............................................. 183
B.16. Curva de motor de 1750 HP y curva del relevador 51 ............................................. 184
B.17. Protección de un conductor de cobre 1/0 AWG por medio de fusibles .................... 185
B.18. Protección de un conductor de cobre 3/0 AWG por medio de fusibles .................... 186
ANEXO C
C.1. Coordinación de protecciones para motores 1, 2 y 3 transformador 2 y línea 2....... 188
C.2. Coordinación de protecciones para motores 4, 5 y 6 y transformador 3 ................. 189
C.3. Coordinación de protecciones para motores 7, 8 y 9 transformador 4 y línea 3....... 190

viii
C.4. Coordinación de protecciones para línea 2, línea 3, transformador 3 y línea 1........ 191
C.5. Coordinación de protecciones para motores 10, 11 y 12 transformador 5 y línea 4. 192
C.6. Coordinación de protecciones para motor 13 y transformador 6.............................. 193
C.7. Coordinación de protecciones para motor 14, 15 y transformador 7........................ 194
C.8. Coordinación de protecciones para  transformador 6, transformador 7 y línea 5 ..... 195
C.9. Coordinación de protecciones para motores 16, 17, 18, transformador 8 y línea 6.. 196
C.10. Coordinación de protecciones para motores 19, 20, transformador 9 y línea 7........ 197
C.11. Coordinación de protecciones para las líneas 1, 4, 5, 6, 7 y  el transformador 1 ..... 198
ANEXO D
D.1. Simulación de coordinación de protecciones para motores 1, 2 y 3, transformador 2 y
línea 2 ..................................................................................................................... 200
D.2. Simulación de coordinación de protecciones para motores 4, 5 y 6 y
transformador 3....................................................................................................... 201
D.3. Simulación de coordinación de protecciones para motores 7, 8 y 9 transformador 4 y
línea 3 ..................................................................................................................... 202
D.4. Simulación de coordinación de protecciones para línea 2, línea 3, transformador 3 y
línea 1 ..................................................................................................................... 203
D.5. Simulación de coordinación de protecciones para motores 10, 11 y 12 transformador
5 y línea 4................................................................................................................ 204
D.6. Simulación de coordinación de protecciones para motor 13 y transformador 6 ....... 205
D.7. Simulación de coordinación de protecciones para motor 14, 15 y transformador 7 . 206
D.8. Simulación de coordinación de protecciones para transformador 6,  transformador 7 y
línea 5 ..................................................................................................................... 207
D.9. Simulación de coordinación de protecciones para motores 16, 17, 18,  transformador
8 y línea 6................................................................................................................ 208
D.10. Simulación de coordinación de protecciones para motores 19, 20, transformador 9 y
línea 7 ..................................................................................................................... 209
D.11. Simulación de coordinación de protecciones para las líneas 1, 4, 5, 6, 7 y el
transformador 1....................................................................................................... 210

ix
RELACIÓN DE TABLAS
CAPÍTULO 1
Tab. 1.1 Corriente de cortocircuito máxima para fusibles de distribución .................................. 4
Tab. 1.2 Capacidad interruptiva de los fusibles ....................................................................... 11
Tab. 1.3 Energía permisible I
2
t ................................................................................................ 15
CAPÍTULO 2
Tab. 2.1 Tipos y causas de falla.............................................................................................. 33
Tab. 2.2 Tipos de falla en paralelo .......................................................................................... 34
Tab. 2.3 Probabilidad de ocurrencia para diferentes fallas ...................................................... 34
Tab. 2.4 Resultados en valores por unidad para los transformadores ..................................... 52
Tab. 2.5 Resultados en valores por unidad para los motores .................................................. 53
Tab. 2.6 Impedancia para conductores eléctricos de cobre trifásicos...................................... 54
Tab. 2.7 Resultados en valores por unidad para las líneas ..................................................... 54
Tab. 2.8 Resultados de corriente y potencia de cortocircuito trifásico en cada barra............... 57
Tab. 2.9 Resultados de corriente y potencia de cortocircuito monofásico en cada barra......... 61
CAPÍTULO 3
Tab. 3.1 Categoría del transformador................................................................................63
Tab. 3.2 Puntos de curva ANSI ........................................................................................64
Tab. 3.3 Impedancias mínimas.........................................................................................64
Tab. 3.4 Impedancias mínimas.........................................................................................65
Tab. 3.5 Limites NEC para transformadores............................................................................ 65
Tab. 3.6 Factores de enfriamiento y temperatura .................................................................... 66
Tab. 3.7 Múltiplos para la corriente de magnetización............................................................. 66
Tab. 3.8 Valor It para definir la curva de daño en transformadores hasta 500 kVA ................ 67
Tab. 3.9 Valores It para definir la curva de energización........................................................ 68
Tab. 3.10 Máximo porcentaje de ajuste para protección contra sobrecarga .............................. 90
Tab. 3.11 Calibres utilizados en circuitos de distribución aéreos............................................. 111
Tab. 3.12 Selección de fusibles para los conductores ............................................................. 115

x
CAPÍTULO 4
Tab. 4.1 Valores de corriente de los motores referidos a 13,8 kV.......................................... 130
Tab. 4.2 ................... 131
Tab. 4.3 ................... 131
Tab. 4.4 Comparación de resultados de la coordinación de la rama 1................................... 148
Tab. 4.12 Comparación de resultados de la coordinación de la rama 10................................. 155
Tab. 4.13 Comparación de resultados de la coordinación de la rama 11................................. 156

CAPÍTULO I
PROTECCIONES PARA UN SISTEMA ELÉCTRICO
1.1. Generalidades de los fusibles
Un fusible es un dispositivo empleado para proteger un circuito eléctrico mediante la
fusión de uno o varios elementos destinados para este efecto, interrumpiendo el flujo de
la corriente eléctrica cuando esta sobrepasa el valor de la corriente de fusión del fusible
dentro de un tiempo determinado. Los componentes que conforman un cortocircuito
fusible se muestran en la figura 1.1, la parte que sirve como elemento de protección
para la desconexión del cortocircuito es el elemento fusible, el cual se construye de una
sección transversal determinada hecha de una aleación metálica, este se funde al paso
de una magnitud de corriente superior para la que fue diseñado, [1].
Para fusibles de un solo elemento es común usar aleaciones a partir de estaño, cobre o
plata. Algunos fabricantes establecen que el elemento de temperatura de baja fusión
previene el daño al tubo protector que rodea al elemento y al mismo portafusible en
sobrecargas y el mejor material consecuentemente para los fusibles de un solo
elemento es el estaño puro.
Figura 1.1 Partes de un fusible.

Los fusibles de un solo elemento pueden subdividirse en dos clases: aquellos que
tienen una temperatura de fusión baja, tal como los de estaño que se funde a 232 °C; y
los que tienen una temperatura de fusión alta como la plata o cobre, que se funden a
960 °C y 1080 °C respectivamente. Con curvas idénticas tiempocorriente un elemento
fusible de estaño puede llevar mayor cantidad de corriente continuamente dentro de la
elevación de temperatura permisible que los elementos fusibles de plata o cobre.
En fusibles con elementos dobles, las funciones eléctricas y mecánicas de las partes
están relacionadas de tal manera, que la elección del material se determina por el tipo
de curva que se desee obtener. Este tipo de fusibles incorpora dos elementos en serie,
un extremo de cobre estañado se une por medio de una bobina de soldadura. En
sobrecargas, la soldadura funde a un valor predeterminado tiempocorriente
provocando la separación de los elementos fusibles. En cortocircuitos e impulsos
transitorios el elemento fusible funde antes que la soldadura.
Además las características físicas, mecánicas y constructivas de los fusibles, es
importante determinar los parámetros eléctricos que identifican a estos elementos de
protección. De acuerdo a la norma ANSI C37. 1001972, los cortocircuitos fusibles son
identificados por las siguientes características:
Frecuencia.
Tensión eléctrica nominal.
Corriente eléctrica nominal.
Nivel básico de impulso.
Servicio (interior o intemperie).
Respuesta de operación (curva tiempocorriente).
Capacidad interruptiva (simétrica y asimétrica).
Velocidad de respuesta (en el tipo expulsión).
Asimismo, los factores que definen la aplicación de un fusible, además de
las características anteriores son:

Corriente de cortocircuito en el punto de instalación.
Relación X/R de la impedancia equivalente (Ze).
Curva de daño de los elementos a proteger (conductores, transformadores, etc.).
Curva de energización del transformador (inrush y carga fría).
Costo.
1.1.1. Clasificación de los fusibles
En la figura 1.2 se muestra la clasificación de los fusibles por tipo de operación,
velocidad de operación y capacidad interruptiva.
Tipo N
Tipo Expulsión
Tipo K y T
Triple Disparo
Tipo de Operación Vacío
Limitador de Corriente
Hexafluoruro de Azufre
Potencia
Acción Rápida
CLASIFICACIÓN Velocidad de Operación Acción Retardada
DE LOS FUSIBLES Acción Extremadamente Rápidos
Clase H
Clase K
Capacidad Interruptiva Clase R
Clase T
Tipo Tapón
Suplementarios
Figura 1.2 Clasificación de los fusibles

Clasificación por tipo de operación
En la actualidad existe una amplia diversidad de fusibles, mismos que dependiendo de
la aplicación específica de que se trate, satisfacen en mayor o menor medida los
requerimientos técnicos establecidos. A continuación se describen algunos de estos
tipos, considerando sus características de operación.
Para los fusibles tipo expulsión se definen las siguientes curvas características de
operación:
TIPO N: Fue el primer intento de normalización de las características de los
elementos fusibles, la norma establecía que deberían llevar el 100% de la corriente
nominal continuamente y deberían fundirse a no menos del 230% de la corriente
nominal en 5 minutos.
TIPO K y T: Para la característica de operación de estos fusibles se definieron tres
puntos correspondientes a los tiempos de 0,1 s, 10 s y 300 s adicionalmente se
normalizó que estos fusibles serían capaces de llevar el 150% de su capacidad nominal
continuamente para fusibles de estaño y del 100% para fusibles de plata.
Así mismo se normalizaron las capacidades de corriente más comunes de fabricación y
que actualmente son de 1 A, 2 A, 3 A, 5 A, 8 A, 15 A, 25 A, 40 A, 65 A, 100 A, 140 A y
200 A. Para los cortocircuitos de distribución que utilizan fusibles tipo expulsión se
tienen normalizados los valores máximos de la corriente de interrupción, indicados en la
tabla 1.1. [2]
Tabla 1.1 Corriente de cortocircuito máxima para fusibles de distribución.
TENSIÓN [ kV ] CORRIENTE DE INTERRUPCIÓN [ A ]
4,8 12 500
7,2 12 500
14,4 10 000
25 8 000

En la figura 1.3 se muestra un cortacircuito fusible tipo expulsión que está diseñado
para utilizarse en instalaciones para proteger transformadores de distribución. En
tensiones de 14,4 kV pueden encontrarse corrientes de diseño de 100 A ó 200 A
nominales. Para tensiones de 25 kV, generalmente la corriente nominal es de 5 A
continuos para transformadores de 75 kVA.
Figura 1.3 Fusible de simple expulsión tipo XS S&C Electric Mexicana.
Los fusibles de doble y triple disparo constan de dos o tres cortacircuitos fusibles por
fase, los cuales se conectan a la fuente mediante una barra común y la salida se
conecta al primer cortacircuito fusible. Al momento que pasa una corriente mayor a la
mínima de operación, se funde el elemento del primer fusible, abriendo el primer
portafusible y cerrando en ese momento el siguiente cortacircuito fusible, en caso de
persistir la sobrecorriente operará en forma similar al anterior conectando el siguiente
cortacircuito fusible con la carga. En la figura 1.4 se muestra un cortacircuito fusible de
tres disparos

Figura 1.4 Fusible de tres disparos.
El fusible de vacio está encerrado en una cámara al vacío, cuenta con una cámara de
arqueo, un escudo o pantalla y un aislamiento cerámico como lo muestra la figura 1.5.
Para corrientes bajas de falla estos fusibles necesitan algunos ciclos para lograr el
quemado del elemento fusible. Para corrientes altas el elemento instantáneamente se
vaporiza y forma un arco eléctrico mantenido por el plasma, la diferencia de presión
comparada con el vacío acelera la vaporización del metal y la extinción del arco.
Figura 1.5 Fusible de vacío.

Los fusibles limitadores de corriente son básicamente de no expulsión, limitan la
energía disponible cuando ocurre un cortocircuito, esto permite que se reduzcan
considerablemente los daños en el equipo protegido. Hay tres tipos disponibles:
1. De respaldo o intervalo parcial, el cual debe ser usado en conjunto con uno de
expulsión o algún otro dispositivo de protección y solamente es capaz de
interrumpir corrientes superiores a un nivel especificado típicamente a 500 A.
2. De propósito general, el cual está diseñado para interrumpir todas las corrientes
de falla. Para corrientes de valor bajo, el tiempo de operación es retardado, para
corrientes de falla opera en un tiempo muy rápido del orden de un cuarto de ciclo.
3. De intervalo completo, el cual interrumpe cualquier corriente que en forma
continua se presente arriba de la corriente nominal.
En la figura 1.6 se muestra un fusible limitador de corriente, su principio de operación se
basa en que cuando circula una sobrecorriente capaz de fundir el elemento metálico,
éste se empieza a fundir en módulos que provocan un valor grande de tensión de arco,
el calor generado por el arco vaporiza el metal a una presión muy elevada, condición
bajo la cual se presenta una resistencia eléctrica muy alta. Una vez que el vapor
metálico se condensa ocurre una descarga en el canal de arco y si tiene una re ignición
hasta que la corriente pasa por su valor de cero que es cuando se completa la
interrupción del arco.
Figura 1.6 Fusibles del tipo limitador de corriente AREVA T&D para 1200 A.

El hexafluoruro de azufre (SF6) ha sido ampliamente usado en la manufactura del
equipo eléctrico, ya que tiene como operación principal extinguir el arco originado por
las sobrecorrientes de carga y de cortocircuito. Para que el hexafluoruro de azufre
(SF6) sea un medio eficaz en la extinción del arco se requiere que esté a una presión
mayor que la atmosférica, es decir que sus propiedades dieléctricas y extintoras del
arco eléctrico varían en razón directamente proporcional a la presión que se encuentra
contenido.
Los fusibles de hexafloruro de azufre (SF6) son empleados en las redes de distribución
subterránea, dado que son para uso en interiores y de tipo limitador de corriente,
actualmente se construyen para 15,5 kV, 27 kV y 38 kV de tensión de diseño y con
capacidades de 200 A ó 600 A nominales, para 15,5 kV y 27 kV tienen un intervalo de
20 kA de capacidad interruptiva y para 38 kV tienen un intervalo de 13,5 kA de
interrupción. En la figura 1.7 se muestra un fusible en hexafluoruro de azufre (SF6).
Figura 1.7 Fusibles en hexafluoruro de azufre (SF6).

Los fusibles de potencia son diseñados para instalarse en subestaciones, líneas de
distribución y subtransmisión, en donde los requerimientos de capacidad interruptiva
son altos. Existen portafusibles que pueden reutilizarse después de fundirse el elemento
fusible en este caso únicamente se reemplaza el elemento de relleno que contiene el
fusible y hay portafusibles que una vez operados tienen que ser reemplazados
completamente la figura 1.8 muestra este tipo de fusibles.
Los fusibles de potencia por su construcción son del tipo expulsión y de acido bórico. El
fusible de potencia del tipo expulsión fue el primero que se diseñó, habiendo
evolucionado debido a la necesidad de contar con un fusible de mejores características,
utilizándose entonces el ácido bórico y otros materiales sólidos que presentan las
características siguientes:
1. Para iguales dimensiones de la cámara de interrupción de los portafusibles el
ácido bórico puede interrumpir circuitos con una tensión nominal más alta.
2. Un valor mayor de corriente, cubre un intervalo total de interrupción desde la
corriente mínima de fusión hasta la corriente de interrupción máxima de diseño.
3. Obliga a que se forme un arco de menor energía.
4. Reduce la emisión de gases y flama.
Figura 1.8 Fusible tipo SMS para 20 kA S&C Electric Mexicana.

Clasificación por velocidad de operación
Los fusibles de acción rápida (también llamados de operación normal) no tienen
intencionalmente demora en su acción. El tiempo de apertura típica de estos fusibles es
de 500% el valor de operación normal de corriente en un periodo de tiempo entre 0,05 s
y 2 s. Los fusibles de acción rápida son de aplicación en cargas no inductivas, tales
como iluminación incandescente y alimentadores de uso general en cargas resistivas o
en circuitos principales con pequeñas cargas no inductivas.
Los fusibles clases CC, G, H, J, RK5 y RK1, pueden ser fusibles de acción retardada
(doble elemento), si son identificados en la etiqueta del fusible "time delay", "td" o "d".
Los fusibles de acción retardada normalizados por UL (Underwriters Laboratories),
cumplen con los requerimientos exigidos en la protección de sobrecargas. Para valores
altos de corriente, los fusibles de acción retardada ofrecen una excelente limitación de
corriente, abriendo el circuito en un periodo de tiempo de menos de medio ciclo. Los
fusibles con tiempo de retardo pueden ser seleccionados con valores mucho más cerca
de la corriente de operación normal de los circuitos.
El principal uso de los fusibles extremadamente rápidos es en la protección de
componentes electrónicos de estadosólido, tales como, semiconductores (diodos,
tiristores, semipacks, etc.) su característica especial, es responder en forma rápida a
problemas de sobrecarga, con baja energía de fusión (I
2
t), corriente de pico y
transigencias de tensión eléctrica, proveen protección de los componentes que no
pueden aislar la línea, este tipo de protecciones son usados para valores de sobrecarga
bajos y corrientes de cortocircuito.
Clasificación por capacidad interruptiva.
La capacidad de interrupción de un fusible es la intensidad de corriente máxima
(raíz media cuadrática) que puede soportar adecuadamente el fusible para proteger en
forma segura los componentes del sistema eléctrico. Tal como lo exige la NEC en su
artículo 240.6. Un fusible debe interrumpir todas las sobrecorrientes que se presentan
en el sistema eléctrico .

Los fusibles están diseñados para operar confiadamente en los siguientes valores: 10
kA, 50 kA, 100 kA, 200 kA y 300 kA respectivamente. Los equipos proyectados para
interrumpir la corriente en caso de fallas, deben tener una intensidad de interrupción
suficiente para la tensión nominal del circuito y la intensidad que se produzca en los
terminales de la línea del equipo.
El equipo proyectado para interrumpir el paso de corriente a otros niveles distintos de
falla, debe tener una capacidad de interrupción a la tensión nominal del circuito,
suficiente para la corriente que deba interrumpir. Los fusibles poseen una capacidad de
interrupción de 200 kA, valor que los hacen como los dispositivos más apropiados para
aplicar en los sistemas eléctricos. Algunos fabricantes, sin embargo han estado
trabajando en fusibles para 300 kA de capacidad de interrupción, así aumentando la
confiabilidad de estos dispositivos de protección eléctrica. En cuanto a capacidad
interruptiva se clasifican de acuerdo a la tabla 1.2, [3].
Tabla 1.2 Capacidad interruptiva de los fusibles.
FUSIBLE CAPACIDAD DE INTERRUPCIÓN [ kA ]
Clase H 10
Clase K 50, 100 o 200
Clase RK1 and Clase RK5 200
Clase J, Clase CC, Clase T, and Clase L 200
Clase G 100
Fusibles tipo tapón 10
1.1.2. Curvas características de los fusibles.
En el estudio de coordinación cuando una inspección no es suficiente, se puede llevar
a cabo la utilización de la representación gráfica de las curvas características de los
fusibles. Las curvas utilizadas para el estudio de coordinación y las que presentan los
fabricantes de fusibles son:

1. Curva tiempocorriente.
2. Curva de corriente pico permisible.
3. Curva de energía de fusión I
2
t.
Curvas tiempocorriente
Las curvas de los fusibles son líneas que representan el tiempo promedio de fusión de
cada una de las calibraciones de los fusibles. Las curvas de fusión (tiempocorriente),
figura 1.9 muestran el tiempo promedio requerido para fundir el elemento fusible
responsable de conducir la corriente. Las características de fusión del elemento fusible
se determinan principalmente por:
1. La correcta aleación de los materiales.
2. La pureza de un metal, como la plata o el cobre.
3. El espesor del elemento fusible.
4. El ancho del elemento fusible.
Lo anterior permite tener un mejor control en el tiempo de fusión de los fusibles para
cumplir con las curvas de tiempocorriente, las cuales se grafican bajo las siguientes
condiciones:
1. Los fusibles no deben ser sometidos a condiciones de sobrecarga, es decir, no
deben haber conducido corriente antes de probarse.
2. La temperatura ambiente en la cual se efectúe la prueba sea de 25 °C.
Para propósitos de coordinación la corriente de fusión tiene una variación de ± 10%, así
en lugar de una línea mostrando el tiempo de fusión de un fusible, se deberá considerar
una banda. Las curvas tiempocorriente de apertura total muestran el tiempo máximo
requerido para cumplir esta función a tensión nominal. Para fundir un fusible y abrir el
circuito se deben tomar en cuenta lo siguiente:
1. Una corriente que pase a través del elemento fusible debe calentarlo y cambiarlo
de un estado sólido a un estado líquido.

2. En el instante en que el elemento cambia al estado líquido, el eslabón comienza
a abrir en algún punto y se establece un arco entre la terminal sólida del
elemento restante. Al seguir fundiéndose, el arco se extiende hasta que no puede
brincar más el espacio libre interrumpiendo de esta manera el circuito.
Actualmente el tiempo de arqueo es medido en ciclos y varía de 0,5 a 2 ciclos.
Figura 1.9 Curva promedio, tiempocorriente.
Curvas de corriente pico permisible.
La mayor parte de los sistemas eléctricos de distribución actuales son capaces de
entregar corrientes de cortocircuito elevadas a sus componentes. Si los componentes
no son capaces de manejar estas corrientes de cortocircuito, éstos pueden ser dañados
o destruidos fácilmente.

Debido a la velocidad de respuesta de las corrientes de falla, los fusibles tienen la
habilidad de recortar la corriente antes de que ésta alcance proporciones peligrosas. La
figura 1.10 muestra el efecto limitador de corriente de los fusibles con dichas
características.
Figura 1.10 Efecto limitador de corriente de los fusibles.
El grado de limitación de corriente de los fusibles generalmente se representa en forma
de curvas de corriente pico permisible. Las curvas de corriente pico permisible o curvas
del efecto de limitación de corriente son útiles desde el punto de vista de la
determinación del grado de protección contra cortocircuito que proporciona el fusible al
equipo. Estas curvas muestran el pico instantáneo de corriente permisible como una
función de corriente simétrica rms disponible.
Curvas de energía de fusión I
2
t
Durante la operación de un fusible cuando se produce una sobrecarga es necesaria una
cierta cantidad de energía para fundir el elemento fusible y otra cantidad de energía
para extinguir el arco eléctrico después de que el elemento comienza a fundirse, ver
figura 1.11.

Figura 1.11 Acción característica del fusible limitador de corriente.
Los datos de energía permisible I
2
t para cada clase de fusibles se presentan en forma
de tablas (tabla 1.3), donde se aprecia el tipo y la capacidad de fusible así como su
energía permisible I
2
t de los mismos, [4].
Tabla 1.3 Energía permisible 2
CLASE CAPACIDAD [ A ] IP [ A ] 2
[ A² / s. ]
J
30
60
100
200
400
600
7 500
10 000
14 000
20 000
30 000
45 000
7 X 10 ³
30 X 10 ³
80 X 10 ³
300 X 10 ³
1 100 X 10 ³
2 500 X 10 ³
K1
30
60
100
200
400
600
10 000
12 000
16 000
22 000
35 000
50 000
10 X 10 ³
40 X 10 ³
100 X 10 ³
400 X 10 ³
1 200 X 10 ³
3 000 X 10 ³
K5
30
60
100
200
400
600
11 000
21 000
25 000
40 000
60 000
80 000
50 X 10 ³
200 X 10 ³
500 X 10 ³
1 600 X 10 ³
5 000 X 10 ³
10 000X 10 ³

1.2. Relevadores de protección.
El relevador de protección es un dispositivo que detecta una falla o condición anormal
de un equipo eléctrico y lo separa de la red eléctrica en forma automática, tomando en
consideración que el relevador se puede energizar por una señal de tensión, una señal
de corriente o por ambas. El relevador de protección es un equipo de medición que
compara una señal de entrada con una señal de ajuste de la misma naturaleza que la
señal de entrada, teniendo en cuenta que su operación se manifiesta cuando la señal
de entrada es mayor a la señal de ajuste, cuando esto ocurre se dice que el relevador
opera y se manifiesta físicamente abriendo y cerrando contactos propios o de
relevadores auxiliares para desconectar automáticamente los interruptores asociados al
equipo fallado.
Los relevadores proporcionan una indicación de su operación mediante banderas o
señales luminosas esto depende de los fabricantes. Los relevadores auxiliares se
utilizan para disparar o bloquear el cierre de algunos interruptores y otras funciones de
control y alarma. El esquema básico de un relevador de protección se presenta en la
figura 1.12, [2].
Figura 1.12 Esquema básico de un relevador de protección.
El dispositivo de entrada es por lo general un transformador de intensidad de corriente y
de tensión, los cuales realizan la doble función de adaptar las señales procedentes de
una perturbación en la instalación a valores aptos para los relevadores de protección y
a la vez sirven de separación eléctrica de las partes de tensión alta y baja.

El dispositivo de conversión se encarga de convertir las señales censadas en el
dispositivo de entrada para que puedan ser procesadas por el dispositivo de medida.
Algunas veces las señales del dispositivo de entrada se recogen directamente por el
dispositivo de medida, por lo que se puede prescindir del dispositivo de conversión.
El dispositivo de medida mide las señales procedentes de los dispositivos anteriores, y
comparándolas con unos valores de ajuste, decide cuándo debe actuar la protección.
Es el dispositivo más importante del relevador. La función del dispositivo de salida es
amplificar las señales de débil potencia procedentes del dispositivo de medida para
hacer funcionar los elementos que actúan en la protección. Los dispositivos de salida
suelen ser contactos de mando y actualmente elementos lógicos con sus
correspondientes etapas de amplificación.
El dispositivo accionador consiste en la bobina de mando del disyuntor. Cuando esta
bobina es accionada produce la desconexión del disyuntor correspondiente. La fuente
auxiliar de tensión se encarga de alimentar al relevador de protección. Esta fuente
puede ser un banco de baterías, transformadores de tensión o la propia red a través de
sistemas de alimentación interrumpida.
Los relevadores de sobrecorriente de acuerdo a sus características se clasifican de la
siguiente manera:
Por su tiempo de operación.
Relevadores de sobrecorriente instantáneo (número ANSI 50).
Relevadores de sobrecorriente con retardo de tiempo (número ANSI 51).
Por su construcción.
Relevadores electromecánicos.
Relevadores estáticos.
Relevadores digitales ó microprocesados.

Por sus características de tiempocorriente.
Tiempo definido.
Tiempo inverso.
Tiempo muy inverso.
Tiempo extremadamente inverso.
Por su nivel de corriente y forma de conexión.
Relevadores de sobrecorriente de fase.
Relevadores de sobrecorriente de neutro.
Relevadores trifásicos.
El relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo (51), es un relevador con una
respuesta retardada la cual se ajusta a una curva característica de tiempocorriente
definida o inversa que funciona cuando la corriente en el circuito excede de un valor
predeterminado. Se conoce como tiempo inverso a la característica de tiempocorriente
en que a mayor corriente, menor es el tiempo de respuesta del relevador; y
consecuentemente a menor corriente, mayor será el tiempo de operación del relevador.
El relevador de sobrecorriente instantáneo (50), es un relevador con respuesta
instantánea para un valor predeterminado de corriente su tiempo de respuesta u
operación es menor a 3 ciclos (0,05 segundos). Este tipo de relevador de
sobrecorriente, no se debe usarse en circuitos en donde se encuentren conectados en
serie relevadores del mismo tipo y con los cuales se debe de coordinar, a menos que
entre ellos se encuentre una impedancia de un valor suficientemente grande (como la
debida a transformadores o alimentadores), que permita limitar la corriente de falla. En
los alimentadores principales, debido a las dificultades que presenta coordinar con el
mismo tipo de relevador en los ramales, es poco usual su aplicación. Para obtener el
ajuste de los relevadores instantáneos, se usan los valores de cortocircuito
momentáneo que se obtiene de dicho estudio.

El relevador de sobrecorriente electromecánico por su principio de funcionamiento se
clasifican en:
Atracción electromagnética.
Inducción electromagnética.
El relevador de atracción electromagnética se utiliza básicamente en la construcción de
relevadores de sobrecorriente instantáneos. Generalmente es un electroimán cuya
bobina es alimentada por un transformador de corriente. El émbolo construido de
material ferromagnético, es atraído por el flujo en el entrehierro, como se muestra en la
figura 1.13.
Figura 1.13 Relevadores de atracción electromagnética.
El contacto que cierra durante la puesta en operación (pickup) del relevador es
utilizado para el control de apertura o disparo de uno o varios interruptores. En los
relevadores de sobrecorriente instantáneo (50), existe un tornillo de ajuste alojado en la
parte superior. Variando la separación o altura del entrehierro se modifica la fuerza
actuante. La operación del relevador se identifica por medio de una bandera cuyo color
depende de la marca del fabricante.
El relevador de sobrecorriente de inducción electromagnética es un motor de inducción
de fase auxiliar con contactos. La fuerza actuante se desarrolla en un elemento móvil,
que es un disco de material no magnético conductor de corriente, por la interacción de
los flujos electromagnéticos con la corriente parásita (de Eddy) que se inducen en el
rotor por estos flujos.

Los relevadores más utilizados tienen la estructura del tipo watthorímetro. El rotor que
es un disco en su flecha se encuentra alojado un contacto móvil, en el armazón del
relevador se localiza el contacto fijo. La mayor o menor separación de los contactos se
obtienen ajustando el ó la palanca y por consiguiente el tiempo de operación de los
relevadores (figura 1.14).
Figura 1.14 Relevador de inducción electromagnética.
Un resorte en forma de espiral cuyos extremos se encuentran fijados a la flecha o disco
una sección estática del relevador, proporciona al disco un par de reposición. Cuando el
par de reposición del disco es ligeramente menor al par producido a corriente que
alimenta al relevador, el disco se arranca. El valor de esta corriente expresada en
Amperes es conocido como el pickup del relevador. Por otra parte este tipo de
relevadores tienen disponible una serie de TAP´s o derivaciones de la bobina de
corriente.
La regleta de TAP´s alojada en la parte superior del relevador tiene un número
determinado de orificios con rosca. Uno para cada derivación de la bobina que es
conectada al transformador de corriente (TC). Por medio de un tomillo se selecciona el
TAP del relevador, y el valor de éste representa la corriente mínima de operación.

Es decir, el TAP seleccionado corresponde a la corriente secundaria capaz de arrancar
al relevador. Aunque la mayoría de los relevadores dispone de un amplio intervalo de
TAP´s, se recomienda no ajustar al relevador en un TAP mayor de 5 A, en razón de
proteger el circuito secundario del TC.
Montado sobre el eje del disco se encuentra el contacto móvil. En la parte superior se
tiene fijado un dial numerado de 0 a 10 dependiendo del fabricante la numeración bien
puede ser de 0 a 11. La posición del dial determina la separación entre los contactos
(fijo y móvil) del relevador. A este ajuste se le conoce como palanca y permite
establecer un juego de curvas tiempocorriente similares. Los ajustes de tiempo y
corriente pueden ser determinados en las gráficas tiempomúltiplo TAP (corriente).
Estas gráficas son familias de curvas proporcionados por el fabricante del relevador, las
cuales indican el tiempo requerido en cerrar sus contactos para cada posición del dial,
cuando la corriente es referida como múltiplo del TAP seleccionado.
Se puede generalizar al relevador de sobrecorriente electromecánico como un relevador
monofásico alojado en una caja con tapa transparente y desmontable, en el interior se
aloja una unidad de sobrecorriente instantánea (50) o una unidad de sobrecorriente de
tiempo (51) o ambas unidades (50/51), con características de tiempocorriente propias
del relevador que no pueden ser modificadas. La unidad o unidades operadas son
señalizadas por medio de banderas de señalización.
Las funciones de los relevadores de sobrecorriente estáticos son semejantes a las
obtenidas con los del tipo electromecánico, a pesar de que los relevadores estáticos
carecen de partes móviles, la terminología relativa al ajuste y operación es similar a la
empleada en los relevadores electromecánicos. Los relevadores de sobrecorriente
utilizan los siguientes circuitos básicos:
Rectificador, cuya función es convertir una entrada de corriente alterna en una
señal de tensión, capaz de ser medida y comparada.
Detector de nivel, el cual compara una entrada analógica con un nivel
prefijado, el cual responde con una salida analógica cuando este nivel es
excedido.

Temporizadores para demorar a manera constante o proporcionar la entrada
analógica de corriente.
Cada uno de estos circuitos, configuran una parte de los relevadores de sobrecorriente
con retardo de tiempo, ilustrado en la figura 1.15. La corriente alterna que alimenta el
relevador es convertida en tensión de CD por medio un transformador de corriente, un
puente rectificador y una resistencia de carga conectada en paralelo, esta tensión es
comparado con un nivel prefijado en el detector de nivel número 1, el cual genera un
pulso al temporizador cuando el nivel es excedido. El temporizador responde a un
tiempo en segundos. En el caso de relevadores de tiempo, es proporcional a la
magnitud de la corriente de entrada.
Figura 1.15 Relevador de sobrecorriente estático trifásico instantáneo y de tiempo.
Generalmente el temporizador carga un capacitor, de manera que al alcanzar al valor
fijado en el detector de nivel número 2, se genera un pulso de salida. Los pulsos para
la operación del elemento instantáneo son obtenidos por medio del detector de nivel
número 3 el cual opera al pasar por alto al temporizador. Diodos emisores de luz (led's)
son utilizados para abanderar la operación de los relevadores, los cuales están
normalmente apagados. Se iluminan cuando uno de los valores de ajuste (pickup) es
superado. Pulsando el botón restaurar se reponen.

Con la aplicación de microprocesadores se han desarrollado relevadores de
sobrecorriente digitales (numéricos o microprocesados), que además de cumplir con las
funciones de protección, efectúan otras funciones adicionales como son: medición,
registro de eventos, localización de fallas y oscilogramas. Lo anterior se realiza
mediante el muestreo y manipulación de los parámetros eléctricos, los cuales son
utilizados en forma numérica para resolver cada uno de los algoritmos que calcula el
microprocesador para cumplir con las tareas anteriormente descritas.
Estos relevadores son trifásicos y en un solo módulo están contenidas las unidades de
fase y de neutro, reduciendo considerablemente sus dimensiones y el espacio ocupado
por ellos en los tableros de control, medición y protección. En la figura 1.16 se presenta
un relevador digital en forma esquemática.
Figura 1.16 Relevador digital de sobrecorriente.

Los relevadores microprocesados están constituidos básicamente de la siguiente
manera: unidades de entrada analógicas (corriente), unidades de entrada digitales
(contactos del interruptor, etc.), filtros, fuente de alimentación, microprocesador para
funciones de protección, microprocesador para funciones de medición, memoria RAM
para registro de eventos, memoria EEPROM para grabar ajustes, unidades de salida,
contactos de disparo y alarma, puertos de comunicación, pantalla y teclado, led´s para
señalización de banderas y piloto de encendido y por último la unidad de auto
diagnóstico y monitoreo.
Las curvas características de operación de los relevadores digitales son utilizadas por el
microprocesador para determinar el tiempo de operación en segundos, bajo una
condición de sobrecorriente dada. Las cuales han sido normalizadas por la norma ANSI
C57.11. En la figura 1.17 se muestran dichas características.
Figura 1.17 Curvas características de relevadores de sobrecorriente microprocesados.

1.3. Interruptores termomagnéticos y electromagnéticos.
Los interruptores termomagnéticos también conocidos como interruptores de caja
moldeada protegen las instalaciones contra sobrecargas y cortocircuitos. Se usan
frecuentemente para la protección de alimentadores secundarios y circuitos derivados.
Por lo general tienen una capacidad interruptiva alta con elementos de restablecimiento
para permitir operaciones repetitivas. Estos interruptores tienen tres componentes
principales: los elementos de disparo, el mecanismo de operación y los extinguidores de
arco.
El principio de operación del interruptor termomagnético se basa en el disparo térmico
y disparo magnético, el disparo térmico se presenta cuando hay una circulación de
corriente a través de una tira bimetálica, la resistencia de la tira bimetálica desarrolla
calor el cual origina que el bimetal se incline hasta que su movimiento sea lo suficiente
para activar el mecanismo y permitir que el interruptor opere. La figura 1.18 muestra
cómo actúa el disparo térmico cuando se presenta una corriente de sobrecarga.
Figura 1.18 Acción del interruptor con disparo térmico.
El disparo magnético se realiza cuando existen corrientes de falla grandes donde un
solenoide magnético es el camino de la corriente a través del interruptor, con el cual
atrae una armadura magnética para provocar el disparo del interruptor. La figura 1.19
muestra cómo actúa el disparo magnético cuando se presenta una corriente de
cortocircuito.

Figura 1.19 Acción del interruptor con disparo magnético.
Un interruptor termomagnético manual permite abrir y cerrar un circuito, tomando en
cuenta que este tipo de interruptor se puede abrir de forma automática cuando el valor
de la corriente que circula por ellos, excede un cierto valor previamente fijado, después
de que estos interruptores abren (disparan) se deben establecer en forma manual. En la
figura 1.20 se puede observar la operación de un interruptor termomagnético, la acción
térmica provee una respuesta de tiempo inverso, esto es una pequeña sobrecarga, un
tiempo mayor y cuando se incrementa la sobrecarga el tiempo se reduce. En el caso de
cortocircuito, las corrientes mayores que se producen ponen en serio riesgo la
integridad de toda la instalación y son interrumpidas en forma inmediata por la acción
magnética.
Figura 1.20 Acción del interruptor termomagnético.

La curva de disparo de los interruptores termomagnéticos son proporcionadas por los
fabricantes y es la combinación de las funciones de protección (térmica y magnética) se
denominan normalmente curvas de disparo y son establecidas por la norma IEC 60898.
En la figura 1.21 se observan las curvas de disparo y sus alcances de dichos
interruptores.
Figura 1.21 Curva del interruptor termomagnético para 250 A de Schneider Electric.
Los interruptores termomagnéticos se fabrican desde 15 A hasta 2,5 kA, en corriente
alterna y directa. Con capacidades de interrupción, desde 18 kA hasta 200 kA y 480 V
CA. Se tienen los interruptores termomagnéticos industriales (figura 1.22).

Figura 1.22 Interruptores termomagnéticos industriales.
La principal aplicación de los interruptores electromagnéticos se encuentra en la
protección secundaria de los transformadores, para proteger centros de carga y centros
de control de motores. Cada interruptor tiene distintas características y puede ser
distinto tipo de acuerdo al fabricante; dependiendo de esto, se puede ajustar las
unidades de disparo disponibles, las cuales son: de tiempo diferido largo (L), de tiempo
diferido corto (S), instantáneo (I) y de protección contra fallas (G).
El llamado ajuste de tiempo diferido largo, se utiliza para proteger el transformador
contra sobrecargas, y para la protección contra cortocircuito, se emplean los de tiempo
diferido corto e instantáneo. Cuando el interruptor se usa para la protección de un
centro de carga o un centro de control de motores, el ajuste se hace considerando la
capacidad del interruptor del motor de mayor potencia, más la suma de las corrientes
nominales del resto de las cargas. Para ajustar el instantáneo, se requiere conocer el
valor de la corriente de cortocircuito momentánea en la barra, y a partir de este, se
determina el valor del múltiplo de ajuste. Para la protección de falla a tierra es
recomendable usar el múltiplo más bajo en la unidad.

CAPÍTULO II
CÁLCULO DE CORTOCIRCUITO
2.1. Clasificación de las fallas eléctricas industriales
Los sistemas eléctricos están diseñados para suministrar en forma continua la energía
eléctrica a los equipos o dispositivos que deben ser alimentados, por lo que la
confiabilidad del servicio es un aspecto que resulta muy importante. El gran riesgo de
estos servicios, está en que el flujo de corriente tenga un valor mayor que el esperado
de corriente que debe circular por el mismo. Estas corrientes se conocen por lo general
como sobrecorrientes, se originan por distintas causas, pero para fines prácticos se
clasifican como: sobrecargas y cortocircuitos [3].
Las sobrecargas son corrientes mayores que el flujo de corriente normal, están
confinadas a la trayectoria normal de circulación de corriente y pueden causar
sobrecalentamiento del conductor, así como deterioro del aislamiento si se permite que
continúe circulando la corriente. Las sobrecargas son producidas de distintas maneras,
por ejemplo, en el circuito de un motor, las chumaceras del motor o las chumaceras del
equipo que acciona el motor requieren lubricación y por lo tanto si no se hace dicha
lubricación, esto provoca que se transmita calor sobre el eje y puede ejercer cierto
frenado, lo cual se traduce como una sobrecarga, ya que no puede girar a su velocidad
y se puede dar el caso de que pare totalmente.
El exceso de corriente que demanda es visto por el dispositivo de protección de
sobrecorriente, como una sobrecarga. Otro ejemplo más común, es el circuito derivado
en una casa habitación que puede estar dimensionado en forma limitada y protegido
por un dispositivo de sobrecorriente, pero si un aparato adicional se conecta, causa un
exceso de corriente sobre la capacidad del circuito y si el dispositivo de protección es
un interruptor termomagnético este se abre.

Esto ocurre también en una situación de sobrecarga. En general, una sobrecorriente
que no excede de cinco a seis veces la corriente normal cae dentro de la clasificación
de una sobrecarga, aún cuando pudiera ser un cortocircuito y ser visto por el dispositivo
de protección como una sobrecarga.
El cortocircuito es una conexión de resistencia o impedancia baja, entre dos o más
puntos de un circuito que están normalmente a tensiones diferentes. Las corrientes de
cortocircuito se caracterizan por un incremento prácticamente instantáneo y varias
veces superior a la corriente nominal, en contraste con las de una sobrecarga que se
caracterizan por un incremento mantenido en un intervalo de tiempo y algo mayor a la
corriente nominal.
En condiciones normales de operación, la carga toma una intensidad de corriente
proporcional a la tensión aplicada y a la impedancia de la propia carga. Si se presenta
un cortocircuito en las terminales de la carga, la tensión queda aplicada únicamente a la
impedancia baja de los conductores de alimentación y a la impedancia de la fuente
hasta el punto del cortocircuito, ya no oponiéndose la impedancia normal de la carga y
generándose una corriente mucho mayor.
Un cortocircuito puede originarse de distintas maneras, por ejemplo la vibración del
equipo produce en algunas partes, pérdida de aislamiento, de manera que los
conductores quedan expuestos a contacto entre sí o a tierra. Otro caso es el de los
aisladores que pueden estar excesivamente sucios por efecto de la contaminación y en
presencia de lluvia o llovizna ligera, consigue producir el flameo del conductor a la
estructura (tierra). El cortocircuito tiene por lo general, tres efectos:
1. Arco eléctrico. Este es similar al que se presenta cuando se usa soldadura
eléctrica, ya que es un arco muy brillante caliente y se presenta en unos niveles
de corriente que van de unos cuantos hasta miles de amperes. El efecto de la
falla, es muy dramático, ya que el arco quema prácticamente todo lo que se
encuentre en su trayectoria.

2. Calentamiento. Cuando un cortocircuito tiene una gran magnitud de corriente,
causa severos efectos de calentamiento, por ejemplo, una corriente de falla de 15
kA en un conductor de cobre, calibre 6 AWG, produce una elevación de
temperatura de 205 °C en menos de un ciclo de duración de la falla, estas
temperaturas podrían iniciar un incendio en algunos materiales vecinos.
3. Esfuerzos magnéticos. Debido a que un campo magnético se forma alrededor de
cualquier conductor cuando circula por él una corriente, se puede deducir
fácilmente que cuando circula una corriente de cortocircuito de miles de ampere,
el campo magnético se incrementa muchas veces y los esfuerzos magnéticos
producidos son significativamente mayores.
La finalidad del estudio de cortocircuito es proporcionar información sobre corrientes y
tensiones en un sistema eléctrico durante condiciones de falla. Esta información se
requiere para determinar las características de capacidad interruptiva y momentánea de
los dispositivos de protección localizados en el sistema, los cuales deberán reconocer la
existencia de la falla e iniciar la operación de los dispositivos de protección asegurando
así la mínima interrupción en el servicio y evitando daños a los equipos.
En el diseño de las instalaciones eléctricas, se deben considerar no sólo las corrientes
nominales de servicio, sino también las sobrecorrientes debidas a las sobrecargas y a
los cortocircuitos. El conocimiento de las corrientes de cortocircuito, en los distintos
puntos de la instalación, es indispensable para el diseño de componentes como:
Barras
Cables
Dispositivos de maniobra y protección, etc.
Para elegir adecuadamente los dispositivos de protección debemos conocer las
corrientes de cortocircuito máximas y mínimas en los distintos niveles.

Las corrientes de cortocircuito máximas corresponden a un cortocircuito en los bornes
de salida del dispositivo de protección, considerando la configuración de la red y al tipo
de cortocircuito de mayor aporte. En general, en las instalaciones de baja tensión el tipo
de cortocircuito de mayor aporte es el trifásico. Estas corrientes se utilizan para
determinar:
Los esfuerzos térmicos y electrodinámicos en los componentes.
La capacidad de cierre de los interruptores en el caso de recierre sobre fallas
Las corrientes de cortocircuito mínimas corresponden a un cortocircuito en el extremo
del circuito protegido, considerando la configuración de la red y al tipo de cortocircuito
de menor aporte. En las instalaciones de tensión baja los tipos de cortocircuito de
menor aporte son el faseneutro (circuitos con neutro) o entre dos fases (circuitos sin
neutro). Estas corrientes se utilizan para determinar el ajuste de los dispositivos de
protección para proteger a los conductores frente a un cortocircuito. Por último las
corrientes de cortocircuito fasetierra, se utilizan para elegir los dispositivos de
protección contra los contactos eléctricos indirectos.
Si se debe suministrar la protección adecuada a un sistema de energía eléctrica, el
tamaño de dicho sistema también se debe considerar para determinar la magnitud de la
corriente que será entregada. Esto hace que los interruptores o fusibles se seleccionen
con la capacidad interruptiva adecuada. Esta capacidad de interrupción debe ser lo
suficientemente alta para abrir con seguridad la corriente máxima de cortocircuito la
cual el sistema puede hacer que fluya a través de los interruptores si ocurre un
cortocircuito en el alimentador o circuito que protege.
La magnitud de la corriente de carga se determina por la cantidad de trabajo que se
está haciendo y tiene poca relación con el tamaño del sistema que alimenta la carga.
Sin embargo, la magnitud de la corriente de cortocircuito es algo independiente de la
carga y está directamente relacionada con el tamaño o capacidad de la fuente de
potencia. Entre más grande sea el aparato que suministra la potencia eléctrica al
sistema, mayor será la corriente de cortocircuito, [2].

Las fallas se pueden clasificar de la siguiente manera:
Por su causa
Un sistema eléctrico a prueba de fallas no es práctico ni económico. Los sistemas
eléctricos modernos que como práctica son construidos con altos niveles de
aislamiento, tienen suficiente flexibilidad para que uno o más de sus componentes
puedan estar fuera de operación afectando en forma mínima la continuidad del servicio.
Adicionalmente a las deficiencias de aislamiento, las fallas pueden ser resultados de
problemas eléctricos, mecánicos y térmicos o de cualquier combinación de éstos.
Para asegurar una adecuada protección, las condiciones existentes en un sistema
durante la ocurrencia de diversos tipos de fallas deben ser comprendidas claramente.
Estas condiciones anormales proporcionan los medios de discriminación para la
operación de los dispositivos de protección. La mayoría de tipos y causas de falla se
presentan en la tabla 2.1.
Tabla 2.1 Tipos y causas de fallas.
TIPO CAUSA
AISLAMIENTO
Defectos o errores de diseño, fabricación inadecuada, instalación
inadecuada, aislamiento envejecido, contaminación.
ELÉCTRICO
Descargas atmosféricas, sobretensiones transitorias por maniobra,
sobretensiones dinámicas.
TÉRMICA Falla de sobrecorriente, sobretensión, temperaturas extremas
MECÁNICA
Esfuerzos por sobrecorriente, sismo, impactos por objetos ajenos, nieve o
viento.
Por su conexión
En un sistema eléctrico trifásico pueden ocurrir las siguientes fallas, también conocidas
como fallas en paralelo debido a la forma en que se encuentran instaladas las líneas,
las cuales son indicadas en la tabla 2.2.

a) Falla monofásica: Ocurre cuando el cortocircuito se da entre una fase a tierra.
b) Falla bifásica: Ocurre cuando el cortocircuito de da entre dos fases.
c) Falla bifásica a tierra: Ocurre cuando el cortocircuito se da entre dos fases a tierra.
d) Falla trifásica: Ocurre cuando el cortocircuito se da entre todas las fases.
Tabla 2.2 Tipos de falla en paralelo.
FALLA
MONOFÁSICA
FALLA BIFÁSICA FALLA BIFÁSICA A
TIERRA
FALLA TRIFÁSICA
Para los tipos de fallas indicados se pueden considerar dos casos:
Falla sólida o franca.
Falla a través de una impedancia.
Este último caso se presenta, por ejemplo, cuando la falla se establece a través de un
arco eléctrico. Un cortocircuito en un sistema trifásico simétrico produce una falla
trifásica balanceada, mientras que las fallas de una fase a tierra, entre dos fases y de
dos fases a tierra producen fallas desequilibradas. Los dispositivos de protección deben
operar para estos tipos de falla, conocidas como fallas en paralelo (shunt), las cuales
tienen la probabilidad de ocurrencia indicada en la tabla 2.3, para sistemas de
distribución aéreos con conductor desnudo.
Tabla 2.3 Probabilidad de ocurrencia para diferentes fallas.
TIPO PROBABILIDAD (% )
MONOFÁSICA  (fase a tierra) 85
BIFÁSICA A TIERRA  (dos fases a tierra) 8
BIFÁSICA  (entre dos fases) 5
TRIFÁSICA (entre las tres fases) 2

En condiciones normales de operación, la carga toma una intensidad de corriente
proporcional a la tensión aplicada y a la impedancia de la propia carga. Si se presenta
un cortocircuito en las terminales de la carga, la tensión queda aplicada únicamente a la
baja impedancia de los conductores de alimentación y a la impedancia de la fuente
hasta el punto del cortocircuito, ya no oponiéndose la impedancia normal de la carga y
generándose una corriente mayor.
2.2. Fuentes y comportamiento transitorio de las corrientes de
cortocircuito
Cuando se determinan las magnitudes de las corrientes de cortocircuito, es
extremadamente importante que se consideren todas las fuentes de corriente de
cortocircuito y que las reactancias características de estas fuentes sean conocidas.
Existen cuatro fuentes básicas de corrientes de cortocircuito, que alimentan con
corriente de cortocircuito a la falla estas son: generadores, motores síncronos, motores
de inducción y el sistema de la compañía suministradora de energía.
2.2.1. Fuentes que contribuyen a la falla
Generadores
Los generadores son movidos por turbinas, motores diesel u otro tipo de fuente motriz,
cuando ocurre un cortocircuito en el circuito al cual está conectado el generador, éste
continúa generando tensión debido a que la excitación del campo se mantiene y la
fuente motriz sigue moviéndolo a velocidad normal. La tensión generada produce una
corriente de cortocircuito de gran magnitud, la cual fluye del generador (o generadores)
al punto de falla. Este flujo de corriente se limita únicamente por la impedancia del
generador y el punto a donde ocurre la falla. Si el cortocircuito ocurre en las terminales
del generador, la corriente queda limitada solamente por la impedancia de la máquina,
la cual es relativamente baja.

Motores síncronos
Los motores síncronos están construidos por un campo excitado por corriente directa y
un devanado en el estator por el cual fluye la corriente alterna. Normalmente el motor
obtiene la potencia de la línea y convierte la energía eléctrica en energía mecánica. No
obstante, el diseño de un motor síncrono es tan semejante al de un generador de
energía eléctrica, que puede producirla justo como un generador, moviendo el motor
síncrono como una fuente motriz.
Durante el cortocircuito en el sistema el motor síncrono actúa como un generador y
entrega corriente de cortocircuito, en lugar de tomar corriente de carga de él como se
muestra en la figura 2.1. Tan pronto como el cortocircuito se establece, la tensión en el
sistema se reduce a un valor más bajo. Consecuentemente el motor deja de entregar
energía a la carga mecánica y empieza a detenerse. Sin embargo, la inercia de la carga
y el motor impiden al motor que se detenga; en otras palabras, la energía rotatoria de la
carga y el rotor mueven al motor síncrono como un primomotor mueve a un generador.
Figura 2.1 Condición de operación de un motor: a) Normal, b) Falla
El motor síncrono viene a ser un generador y suministra corriente de cortocircuito por
varios ciclos después de que ocurre el cortocircuito en el sistema. La figura 2.2 muestra
un oscilograma de la corriente desarrollada por el motor síncrono durante el
cortocircuito del sistema. La magnitud de la corriente de cortocircuito depende de la
potencia, la tensión nominal y reactancia del motor síncrono y de la reactancia del
sistema hasta el punto de falla.

Figura 2.2 Corriente de cortocircuito en un motor síncrono.
Motores de inducción
La inercia de la carga y el rotor de un motor de inducción tienen exactamente el mismo
efecto sobre el motor de inducción como el motor síncrono; siguen moviendo al motor
después de que ocurre un cortocircuito en el sistema. Sólo existe una diferencia, el
motor de inducción no tiene un campo excitado por corriente directa, pero existe un flujo
en el motor durante la operación normal. Este flujo actúa en forma similar al flujo
producido por el campo de corriente directa en el motor síncrono.
El campo del motor de inducción se produce por la inducción desde el estator en lugar
del devanado de corriente directa. El flujo del motor permanece normal mientras se
aplica tensión al estator desde una fuente externa (el sistema eléctrico), sin embargo, si
la fuente externa de tensión se elimina súbitamente, esto es, cuando ocurre el
cortocircuito en el sistema el flujo en el rotor no puede cambiar instantáneamente.
Debido a que el flujo del rotor puede decaer instantáneamente y la inercia sigue
moviendo al motor, se genera una tensión en el devanado del estator cuando una
corriente de cortocircuito que fluye hasta el punto de falla hasta que el flujo del rotor
decae a cero. La magnitud de la corriente de cortocircuito producida por el motor de
inducción depende de su potencia, tensión nominal, reactancia del motor y la reactancia
del sistema hasta el punto de falla. Consecuentemente, el valor inicial simétrico de la
corriente de cortocircuito es aproximadamente igual a la corriente de arranque a tensión
plena del motor.

Sistema de la compañía suministradora
Los sistema eléctricos modernos de las compañías suministradoras, representan una
red compleja de plantas generadoras interconectadas. En un sistema típico, los
generadores no se ven afectados por las corrientes altas de cortocircuito que se
producen en una planta industrial, únicamente aparece en ellos un incremento en su
corriente de carga que tiende a permanecer constante.
Las líneas de transmisión y distribución, así como los transformadores, introducen
impedancias entre las plantas generadoras y los consumidores industriales; de no ser
así, las compañías suministradoras serían una fuente infinita de corriente de falla. La
representación de la compañía suministradora para el estudio del cortocircuito, será una
impedancia equivalente referida al punto de conexión (punto de acometida).
2.2.2. Reactancia de las máquinas rotatorias
La reactancia de una máquina rotatoria no es un valor simple, como lo es la reactancia
de un transformador o de un tramo de cable, sino que es compleja y variable con el
tiempo. Por ejemplo, si se aplica un cortocircuito a las terminales de un generador la
corriente de cortocircuito es como se muestra en la figura 2.3.
Figura 2.3 Corriente de cortocircuito producida por un generador.

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