En este articulo veremos con imágenes y ejemplos, como se debe entender la protección de transformadores y cables en media tensión cumpliendo la NEC (National Electrical Code®).
La intención de este documento no es transmitir el mejor diseño de un sistema para una aplicación en particular, sino proporcionar ejemplos necesarios para entender los “mínimos” de seguridad del código que deben considerarse cuando estos componentes están involucrados.
La norma NEC/NFPA70/NTC2050 no indica los valores que deben tener las protecciones, solo indica los máximos valores que son seguros en una instalación de este tipo, por lo tanto los diseñadores deben considerar otros factores para el diseño y protección de los transformadores y cables, como los niveles de cortocircuito, las características de daño del cable y del transformador, la coordinación, la corriente de magnetización etc.
[joli-toc]
Fundamentos básicos de protección para transformadores según articulo 450 NEC/NFPA70/NTC2050:
El artículo 450 del NEC/NFPA70/NTC2050 trata sobre los requisitos para transformadores. Específicamente, 450.3 cubre los requisitos de OCPD (dispositivos de protección contra sobrecorriente) para el transformador. Tenga en cuenta que los ejemplos dados mostrarán los valores máximos de OCPD, sin embargo se pueden requerir dispositivos con un tamaño inferior a estos máximos para fines de diseño.
Esta elección de un valor más bajo puede verse influenciada por las recomendaciones del fabricante, el diseño del transformador y la funcionalidad del sistema.
El artículo 450 trata ÚNICAMENTE de los requisitos para el transformador. La ampacidad de los conductores que alimentan y se extienden desde el transformador, así como la protección contra sobrecorriente necesaria de los conductores, están cubiertas por las reglas de los Capítulos 2 y 3 del NEC.
Aunque el OCPD (dispositivos de protección contra sobrecorriente) especificado para el transformador puede ser adecuado para los conductores, esto solo puede ser determinado después de observar las reglas aplicables para los conductores. Además, el artículo 450 no especifica la ubicación del OCPD para el transformador, lo que proporciona cierta flexibilidad al proporcionar la ubicación del OCPD.
Bases para el dimensionamiento de las protecciones de transformadores
Estas bases están detalladas a través de este articulo y permiten entender con detalle la correcta protección de los transformadores y cableado cumpliendo con las reglas básicas de la NEC/NFPA70/NTC2050.
Condición: Determina en qué circunstancias puede utilizar las reglas dadas en el articulo. Estos incluyen elementos como la limitación de ubicación y las impedancias del transformador.
Tamaño de protecciones primarias: Especifica la clasificación de amperaje máxima del dispositivo de sobrecorriente como un porcentaje de la corriente primaria del transformador.
Siguiente tamaño estándar de protección permitida: Especifica si, en las condiciones particulares indicadas, se puede usar el siguiente tamaño de dispositivo OCPD estándar cuando el tamaño máximo no corresponde a un amperaje o ajuste estándar o comercial.
El devanado del transformador conectado a la fuente de voltaje es llamado comúnmente «primario», mientras que el devanado del transformador conectado a la carga es llamado «secundario».
Tamaño estándar (Comercial) de protección siguiente permitida para 1000V o mas
Por encima de 1000 V, el artículo 450 permite redondear al siguiente amperaje estándar o comercial en ciertos casos. Esto plantea la pregunta de dónde encontrar valores nominales estándar para dispositivos de sobrecorriente por encima de 1000 V.
De acuerdo con el alcance del Artículo (240) que es menos de 1000V y los valores nominales estándar en 240.6 son aplicables a 1000V y menos . No se dan clasificaciones estándar para interruptores de más de 1000 V del Artículo 240 (Parte IX).
Los fusibles están disponibles en varios tamaños con diferentes amperajes. El más popular es el fusible con clasificación «E». El significado de estas clasificaciones y los «tamaños estándar o amperajes estandar» se pueden encontrar en ANSI / IEEE C37.46.
En la mayoría de los casos, no es necesario utilizar el siguiente amperaje de fusible más alto, ya que probablemente se seleccionará una clasificación y amperaje más bajo para proporcionar la protección contra cortocircuitos necesaria del transformador.
Los breakers utilizados para aplicaciones de más de 1000 V generalmente tienen muchos esquemas para ajustar las características de disparo para cumplir con los parámetros de diseño del sistema.
Protección de sobrecorriente máxima en transformadores de 1000V o mas
Esta tabla se aplica a los transformadores que tienen una tensión nominal superior a 1000 V en el primario, el secundario o ambos, se aclara que la tabla muestra los valores máximos que se consideran seguros, sin embargo estos valores pueden ser menores y dependerán de los cálculos de ingeniería (Ver ejemplos).
Tabla 450.3(A) Valor nominal o ajuste máximo de la protección contra sobrecorriente para transformadores de más de 1 000 V (como porcentaje de la corriente nominal del transformador)
NOTA 1 Donde el valor nominal del fusible o el ajuste del interruptor de circuito exigido no correspondan a un valor nominal o ajuste normalizados, debe permitirse tomar un valor nominal o ajuste más alto que no exceda de
a) El siguiente valor nominal o ajuste normalizado más alto para fusibles y interruptores automáticos de circuito de 1 000 V y menos, o
b) El siguiente valor nominal o ajuste más alto comercialmente disponible para fusibles e interruptores de circuitos de más de 1 000 V.
NOTA 2 Donde se requiera protección contra sobrecorriente del secundario, debe permitirse que el dispositivo de protección contra sobrecorriente del secundario esté compuesto por un máximo de seis interruptores de circuito o seis sets de fusibles agrupados en un lugar. Donde se utilicen múltiples dispositivos de protección contra sobrecorriente, el total de los valores nominales de los dispositivos no debe exceder el valor permitido para un solo dispositivo de protección contra sobrecorriente. Si como dispositivo de protección contra sobrecorriente se utilizan tanto interruptores automáticos de circuito como fusibles, el total de los valores nominales del dispositivo no debe exceder el permitido para los fusibles.
NOTA 3 Un lugar supervisado es aquel en que las condiciones de mantenimiento y supervisión garantizan que solamente personal calificado monitoreará y prestará servicios de reparación y mantenimiento en la instalación de transformadores.
NOTA 4 Los fusibles accionados electrónicamente que puedan ser configurados para abrirse a una corriente específica se deben configurar cumpliendo con los ajustes para interruptores automáticos de circuito.
NOTA 5 Debe permitirse que en un transformador equipado por el fabricante con protección térmica coordinada contra sobrecarga se omita la protección independiente del secundario.
Explicación de uso de la tabla 450.3 (A) para calculo de protección de transfromadores de 1000V o mas
Esta tabla tiene dos «condiciones» que afectan su aplicación. Una es si la instalación puede considerarse supervisada o no. La Nota 3 establece que una instalación supervisada es: “donde las condiciones de mantenimiento y supervisión aseguran que solo personas calificadas monitorearán y darán servicio a la instalación. . .. «Supervisado» es más que tener una persona calificada para instalar el sistema.
La implicación de supervisado significa que hay personas calificadas en el sitio en todo momento y disponibles para hacer frente a cualquier circunstancia que surja con el transformador. Antes de aplicar estas reglas, el ingeniero o diseñador debe comunicarse con la autoridad competente para acordar que la instalación cumpla con esta condición.
La otra condición se relaciona con la impedancia del transformador involucrado. Esta información se puede obtener del fabricante del transformador.
Factores básicos que influyen en el tamaño y protección de los conductores que alimentan un transformador en media tensión 1000V o mas
Conductores o cables primarios de 1000V o mas
1. Dimensione los conductores adecuadamente para transportar la corriente primaria esperada del transformador.
2. Proteja los conductores de acuerdo con NEC 240.100. En el caso de circuitos que operan por encima de 1000 V, las reglas de la Sección 240.100 permiten que el conductor esté protegido por un fusible no mayor de tres veces la capacidad nominal del conductor o un breaker no mayor de seis veces la capacidad nominal del conductor. Esto coincide bien con la protección de transformador permitida en 450.3 (A).
Conductores o cables secundarios de 1000V o mas
1. Ampacidad adecuada para soportar la carga suministrada por el secundario del transformador.
2. En aplicaciones de 1000 V o menos, la protección contra sobrecorriente se ubica típicamente en el extremo de carga de los conductores instalados en campo, NEC 240.21 (C) (o la Parte VIII del Artículo 240 para instalaciones industriales supervisadas) tiene una influencia significativa en el tamaño de estos conductores.
Sin embargo para aplicaciones de más de 1000 V, no están disponibles reglas similares a las de 240.21 (C). Se debe proporcionar OCPD donde se originan estos conductores o se deberá utilizar un esquema de detección / retransmisión para abrir un dispositivo por delante de estos conductores.
En el caso de conductores conectados directamente al secundario del transformador, puede ser necesario abrir el dispositivo de sobrecorriente en el primario del transformador cuando los medios de detección de sobrecorriente secundarios detectan una condición de sobrecorriente. NEC 240.100 indica que la ubicación de la protección contra sobrecorriente se puede determinar bajo supervisión de ingeniería.
Ejemplo de protección de transformador de 1000V o mas, primario y secundario
El diseño, la selectividad y los ajustes de las protecciones para transformadores por encima de 1000 V es más complejo que por debajo de 1000 V; los ejemplos dados muestran el valor calculado y el máximo permitido por la NEC.
Cuando se requiere protección secundaria, se muestra como un solo dispositivo; recuerde que se pueden usar hasta seis dispositivos, por un total no mayor que el amperaje permitido de un solo dispositivo. El tipo de OCPD (dispositivos de protección contra sobrecorriente) que se muestra es solo de ejemplo.
Es importante notar que el dispositivo de sobrecorriente en el lado primario debe tener un tamaño basado en la clasificación nominal en KVA del transformador y no basado en la carga secundaria al transformador.
Ejemplo 1: Se tiene un transformador trifasico en media tensión que tiene las siguientes características: Potencia del transformador: 1500 kVA, 12,47 kV (Primario) y 480 V (Secundario), Z = 5,75%.
¿Cuál es la clasificación en amperios de la protección y cableado primario y secundario para el transformador?
Antes de empezar con la solución se debe aclarar que no existe una formula mágica para el calculo de las protecciones de los transformadores, debido a que la ingeniería eléctrica es de criterios, experiencia, conocimiento, en áreas tan diversas como la seguridad eléctricas con la normatividad NEC/NFPA70/NTC2050 y los cálculos propios de nuestra carrera.
Por ello aconsejamos leer detenidamente el articulo y aplicarlo según la lógica y criterios de ingeniería que ayuden a salvaguardar la vida y los equipos.
La protección del transformador constaría de lo siguiente:
Fuente de origen: Celda con fusibles de 12,47 kV
Fusible primario requerido:
Corriente primaria nominal transformador: 1500000VA ÷ (12470V × 1.732) = 70A
Fusible elegido para protección primaria: Referencia 100E – 130A (Este fusible se elije después de revisar que puede proteger el transformador, esta por encima de la corriente inrust del transformador, por encima de la curva del breaker secundario, por debajo de la curva de daño de los cables y por debajo del máximo exigido por la NEC/NFPA70/NTC2050 (300%)).(Ver imagen 1)
Breaker secundario:
Corriente secundaria nominal transformador: 1500000VA ÷ (480V × 1.732) = 1800A
Breaker secundario: 2000 amperios (Se elije después de revisar que este por encima de la corriente de daño del transformador pero por debajo de al curva del fusible de media tensión y por debajo del máximo exigido por la NEC/NFPA70/NTC2050 (125%)(Ver imagen 1)
Cable primario: cables # 2 – 15 kV – EPR MV 105. (Cable No 2 AWG, Voltaje de aislamiento 15kV, Aislamiento: EPR MV 105, Ampacity aprox.: 165A)
Cables secundarios: 9 juegos de cables subterráneos de 500 KCMIL por fase. (9x(3No500kCMIL+ Neutro+Tierra)) (310.15 (B)(16), después de aplicar derrateo por ocupación de tubería y demás ajustes.
Criterios de cumplimiento NEC/NFPA70/NTC2050 y eléctricos:
La curva del fusible 100E está a la derecha de la corriente Inrust (12 veces la corriente FLA a 0.1s) y a la izquierda de la curva de daño del cable.
Para un transformador de 6% de impedancia o menos, la NEC/NFPA70/NTC2050 requiere protección primaria y secundaria. El fusible primario no debe ser mayor al 300% de la corriente primaria y el dispositivo de sobrecorriente secundario de 480 V no debe ser mayor al 125% de la corriente secundaria.
Primario: La corriente continua de un fusible 100E es de 130 amperios, la corriente del cableado tipo # 2 – 15 kV – EPR MV 105 es de aproximadamente 165A, la corriente de un transformador de 1500 kVA es de 70 amperios, por lo tanto el fusible es 180% la corriente nominal del transformador, con lo cual garantizamos que cumplimos la Tabla 450.3 (A) que especifica un máximo de 300% para el fusible.
En cuanto a la protección, esta 30% por debajo del cableado cumpliendo con ello el articulo 240.100 – la protección puede estar 300% máximo por encima de cableado.
Secundario: Un interruptor principal de 2000 amperios es el 111% de la corriente nominal secundaria del transformador, por lo tanto estamos cumpliendo los requisitos de la NEC/NFPA70/NTC2050 que exigen menos del 125% – Tabla 450.3 (A).
Las curvas de daño del cable primario y secundario están por encima de la corriente de falla máxima en 0.01 s.
Cuando los dispositivos de sobrecorriente primario y secundario estén ubicados de forma remota, se debe considerar la protección de ambos conductores de alimentación entre los terminales del transformador y los terminales de los dispositivos de sobrecorriente.
El diseño de las protecciones y coordinación se recomienda realizarlo con el software ETAP, DIGSILENT, SKM o software de las marcas Schneider (My Ecodial), ABB (DOC), Mitsubishi (Melshort) etc, puedes encontrar muchos vídeos de como utilizarlos en youtube.
Referencias:
- Mikeholts Enterprise
- Schneider electric
- ABB
- NFPA70
- NEC2017
- NEC Handbook
- Consulting specifying engineer
Excelente página