Selección y Configuración de Interruptores de Circuito: Una Guía Completa desde Parámetros Básicos hasta la Protección Selectiva
Clasificación de Interruptores Automáticos
(1) Interruptor Automático de Aire (ACB)
Un interruptor automático de aire, también conocido como interruptor automático con marco moldeado o universal, alberga todos los componentes dentro de un marco metálico aislado. Generalmente es de tipo abierto, lo que permite la instalación de diversos accesorios, y facilita el reemplazo fácil de contactos y piezas. Se utiliza comúnmente como el interruptor principal del suministro de energía. Las unidades de desenganche por sobrecorriente incluyen tipos electromagnéticos, electrónicos e inteligentes. El interruptor proporciona protección en cuatro etapas: retardo a largo plazo, retardo a corto plazo, instantáneo y protección contra fallas a tierra. Cada ajuste de protección se puede ajustar en un rango basado en el tamaño del marco.
Los interruptores automáticos de aire son adecuados para redes de distribución de CA 50Hz, con voltajes nominales de 380V o 660V, y corrientes nominales de 200A a 6300A. Se utilizan principalmente para distribuir energía eléctrica y proteger circuitos y equipos de potencia contra sobrecargas, subvoltage, cortocircuitos, tomas de tierra monofásicas y otras fallas. Estos interruptores ofrecen múltiples funciones de protección inteligente y permiten una protección selectiva. Bajo condiciones normales, pueden usarse para el encendido y apagado infrecuente de circuitos. Los IAA con calificaciones de hasta 1250A se pueden usar en redes de CA 50Hz, 380V para proteger motores contra sobrecarga y cortocircuitos.
Los interruptores automáticos de aire también se utilizan comúnmente como interruptores principales en el lado de 400V de transformadores, interruptores de interconexión de barras, interruptores de alimentación de alta capacidad y interruptores de control de motores grandes.
(2) Interruptor Automático Moldeado (MCCB)
También conocido como interruptor automático enchufable, el interruptor automático moldeado alberga terminales, contactos, cámaras de extinción de arco, unidades de desenganche y mecanismos de operación dentro de un recinto de plástico. Los contactos auxiliares, las unidades de desenganche por subvoltage y las unidades de desenganche en paralelo suelen ser modulares. La estructura es compacta y generalmente no se considera mantenimiento. Es adecuado para la protección de circuitos secundarios. Los interruptores moldeados típicamente incluyen unidades de desenganche térmico-magnético, mientras que los modelos más grandes pueden estar equipados con sensores de desenganche de estado sólido.
Las unidades de desenganche por sobrecorriente para MCCB están disponibles en tipos electromagnéticos y electrónicos. Generalmente, los MCCB electromagnéticos no son selectivos y solo proporcionan protección a largo plazo y instantánea. Los MCCB electrónicos ofrecen cuatro funciones de protección: retardo a largo plazo, retardo a corto plazo, instantáneo y protección contra fallas a tierra. Algunos MCCB electrónicos recientemente introducidos también presentan interbloqueo selectivo por zonas.
Los interruptores automáticos moldeados se utilizan generalmente para el control y protección de circuitos de alimentación, interruptores principales en el lado de baja tensión de pequeños transformadores de distribución, control de distribución de energía terminal y como interruptores de potencia para diversas máquinas de producción.
(3) Interruptor Automático Miniatura (MCB)
El interruptor automático miniatura es el dispositivo de protección terminal más ampliamente utilizado en sistemas de distribución eléctrica de edificios. Se usa para proteger contra cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones en circuitos monofásicos y trifásicos de hasta 125A, y está disponible en configuraciones de un polo (1P), dos polos (2P), tres polos (3P) y cuatro polos (4P).
Un MCB consta de un mecanismo de operación, contactos, dispositivos protectores (varias unidades de desenganche) y un sistema de extinción de arco. Los contactos principales se cierran manualmente o eléctricamente. Después de cerrar, un mecanismo de desenganche libre bloquea los contactos en la posición cerrada. La bobina de la unidad de desenganche por sobrecorriente y el elemento calentador de la unidad de desenganche térmico están conectados en serie con el circuito principal, mientras que la bobina de la unidad de desenganche por subvoltage está conectada en paralelo con el suministro de energía.
En el diseño eléctrico de edificios civiles, los interruptores automáticos miniatura se utilizan principalmente para protección y operación, como sobrecarga, cortocircuito, sobrecorriente, pérdida de tensión, subvoltage, toma de tierra, fuga, transferencia automática de doble fuente de alimentación y arranque infrecuente de motores.
Parámetros Característicos Básicos de los Interruptores Automáticos
(1) Tensión Nominal de Operación (Ue)
La tensión nominal de operación es la tensión nominal del interruptor automático, bajo la cual el interruptor puede operar continuamente en condiciones normales de servicio y rendimiento especificadas.
En China, para niveles de tensión de hasta 220kV, la tensión máxima de operación es 1,15 veces la tensión nominal del sistema; para 330kV y superiores, la tensión máxima de operación es 1,1 veces la tensión nominal. El interruptor automático debe mantener el aislamiento y ser capaz de cerrar e interrumpir bajo la tensión máxima de operación del sistema.
(2) Corriente Nominal (In)
La corriente nominal es la corriente que la unidad de desenganche puede soportar continuamente a una temperatura ambiente inferior a 40°C. Para interruptores con unidades de desenganche ajustables, se refiere a la corriente máxima que la unidad de desenganche puede soportar continuamente.
Cuando se utiliza a temperaturas ambientales superiores a 40°C pero no superiores a 60°C, el interruptor puede operar con carga reducida para un servicio a largo plazo.
(3) Ajuste de Corriente de Desenganche por Sobrecarga (Ir)
Cuando la corriente excede el ajuste Ir de la unidad de desenganche, el interruptor automático se desengancha después de un retardo. También representa la corriente máxima que el interruptor puede soportar sin desengancharse. Este valor debe ser mayor que la corriente máxima de carga Ib pero menor que la corriente máxima permitida Iz del circuito.
Para las unidades de desenganche térmico-magnético, Ir es generalmente ajustable en el rango de 0,7-1,0In. Para las unidades de desenganche electrónicas, el rango de ajuste es generalmente más amplio, típicamente 0,4-1,0In. Para interruptores con unidades de desenganche por sobrecorriente no ajustables, Ir = In.
(4) Ajuste de Corriente de Desenganche por Cortocircuito (Im)
La unidad de desenganche por cortocircuito (instantáneo o con retardo a corto plazo) hace que el interruptor automático se desenganche rápidamente cuando ocurren corrientes de falla altas. Su umbral de desenganche es Im.
(5) Corriente Nominal de Resistencia a Corto Plazo (Icw)
Esta es la corriente permitida para pasar a través del conductor durante un período especificado sin causar daños debido al sobrecalentamiento.
(6) Capacidad de Interrupción
La capacidad de interrupción de un interruptor automático se refiere a su capacidad para interrumpir seguramente las corrientes de falla, lo cual no necesariamente está relacionado con su corriente nominal. Las clasificaciones comunes incluyen 36kA y 50kA. Generalmente se divide en capacidad de interrupción de cortocircuito final (Icu) y capacidad de interrupción de cortocircuito de servicio (Ics).
Principios Generales para la Selección de Interruptores Automáticos
Primero, seleccione el tipo y el número de polos según la aplicación; luego, seleccione la corriente nominal según la corriente de operación máxima; finalmente, elija el tipo de unidad de desenganche y accesorios. Los requisitos específicos son los siguientes:
La tensión nominal de operación del interruptor automático ≥ tensión nominal de la línea.
La capacidad nominal de cierre e interrupción de cortocircuito del interruptor automático ≥ corriente de carga calculada de la línea.
La capacidad nominal de cierre e interrupción de cortocircuito del interruptor automático ≥ corriente de cortocircuito máxima posible en la línea (generalmente calculada como valor eficaz).
La corriente de cortocircuito entre fase y tierra en el extremo de la línea ≥ 1,25 veces el ajuste de desenganche instantáneo (o con retardo a corto plazo) del interruptor automático.
La tensión nominal de la unidad de desenganche por subvoltage = tensión nominal de la línea.
La tensión nominal de la unidad de desenganche en paralelo = tensión de suministro de control.
La tensión nominal de operación del mecanismo de operación eléctrico = tensión de suministro de control.
Cuando se utiliza en circuitos de iluminación, el ajuste de desenganche instantáneo de la unidad de desenganche electromagnética es generalmente 6 veces la corriente de carga.
Cuando se utiliza un interruptor automático para la protección contra cortocircuitos de un solo motor, el ajuste de desenganche instantáneo es 1,35 veces la corriente de arranque del motor (para la serie DW) o 1,7 veces (para la serie DZ).
Cuando se utiliza un interruptor automático para la protección contra cortocircuitos de varios motores, el ajuste de desenganche instantáneo es 1,3 veces la corriente de arranque del motor más grande más las corrientes de operación de los motores restantes.
Cuando se utiliza un interruptor automático como interruptor principal en el lado de baja tensión de un transformador de distribución, su capacidad de interrupción debe superar la corriente de cortocircuito en el lado de baja tensión del transformador. La corriente nominal de la unidad de desenganche no debe ser menor que la corriente nominal del transformador. El ajuste de protección contra cortocircuitos es generalmente 6-10 veces la corriente nominal del transformador; el ajuste de protección contra sobrecarga es igual a la corriente nominal del transformador.
Después de seleccionar preliminarmente el tipo y la calificación del interruptor automático, se requiere la coordinación con los dispositivos de protección aguas arriba y abajo para evitar el desenganche en cascada y minimizar el alcance del accidente.
Selectividad de los Interruptores Automáticos
En los sistemas de distribución, los interruptores automáticos se clasifican como selectivos o no selectivos según el rendimiento de protección. Los interruptores automáticos de baja tensión selectivos tienen protección de dos etapas o tres etapas. Las características instantáneas y de retardo a corto plazo se utilizan para la protección contra cortocircuitos, mientras que las características de retardo a largo plazo se utilizan para la protección contra sobrecargas. Los interruptores no selectivos son generalmente instantáneos, utilizados solo para la protección contra cortocircuitos, o de retardo a largo plazo, utilizados solo para la protección contra sobrecargas.
En los sistemas de distribución, si el interruptor aguas arriba es selectivo y el interruptor aguas abajo es no selectivo o selectivo, la selectividad se logra mediante el uso del retardo de la unidad de desenganche de retardo a corto plazo o las diferencias en los ajustes de retardo. Cuando el interruptor aguas arriba opera con retardo, considere lo siguiente:
Independientemente de si el interruptor aguas abajo es selectivo o no selectivo, el ajuste de desenganche instantáneo por sobrecorriente del interruptor aguas arriba generalmente debe ser no menos de 1,1 veces la corriente de cortocircuito trifásica máxima en la salida del interruptor aguas abajo.
Si el interruptor aguas abajo es no selectivo, para prevenir que la unidad de desenganche por sobrecorriente de retardo a corto plazo del interruptor aguas arriba opere primero debido a la insuficiente sensibilidad de la unidad de desenganche instantáneo del interruptor aguas abajo durante un cortocircuito, el ajuste de desenganche por sobrecorriente de retardo a corto plazo del interruptor aguas arriba generalmente debe ser no menos de 1,2 veces el de la unidad de desenganche instantáneo del interruptor aguas abajo.
Si el interruptor aguas abajo también es selectivo, para asegurar la selectividad, el tiempo de operación de retardo a corto plazo del interruptor aguas arriba debe ser al menos 0,1 segundos más largo que el del interruptor aguas abajo.
Generalmente, para asegurar la operación selectiva entre los interruptores automáticos de baja tensión aguas arriba y abajo, el interruptor aguas arriba debe preferiblemente tener una unidad de desenganche por sobrecorriente de retardo a corto plazo, y su corriente de operación debe ser al menos un nivel superior a la de la unidad de desenganche aguas abajo. Como mínimo, la corriente de operación Iop.1 del interruptor aguas arriba debe ser no menos de 1,2 veces la corriente de operación Iop.2 del interruptor aguas abajo, es decir, Iop.1 ≥ 1,2Iop.2.
Protección en Cascada de los Interruptores Automáticos
En el diseño de sistemas de distribución, la coordinación entre los interruptores automáticos aguas arriba y abajo debe lograr "selectividad, velocidad y sensibilidad". La selectividad se relaciona con la coordinación entre los interruptores, mientras que la velocidad y la sensibilidad están asociadas con las características del dispositivo de protección y el modo de operación del circuito.
Una coordinación adecuada entre los interruptores aguas arriba y abajo permite aislar selectivamente el circuito defectuoso, asegurando que otros circuitos no defectuosos continúen operando normalmente. Una mala coordinación afecta la confiabilidad del sistema.
La protección en cascada es una aplicación práctica de las características limitadoras de corriente de los interruptores automáticos. Su principio principal es utilizar el efecto limitador de corriente del interruptor aguas arriba (QF1), lo que permite seleccionar un interruptor aguas abajo (QF2) con menor capacidad de interrupción, reduciendo así el costo. El interruptor aguas arriba QF1, que tiene efecto limitador de corriente, puede interrumpir la corriente de cortocircuito máxima prospectiva en su punto de instalación. Dado que los interruptores aguas arriba y abajo están conectados en serie, cuando ocurre un cortocircuito en la salida del interruptor aguas abajo QF2, la corriente de cortocircuito real se reduce significativamente por el efecto limitador de corriente de QF1, muy por debajo de la corriente de cortocircuito prospectiva en ese punto. Así, la capacidad de interrupción de QF2 se ve efectivamente mejorada por QF1, superando su capacidad de interrupción nominal.
La protección en cascada tiene ciertas condiciones: por ejemplo, los circuitos adyacentes no deben tener cargas críticas (ya que el desenganche de QF1 también desconectaría el circuito de QF3), y los ajustes instantáneos de QF1 y QF2 deben estar correctamente emparejados. Los datos en cascada solo se pueden determinar experimentalmente, y la coordinación entre los interruptores aguas arriba y abajo debe proporcionarse por el fabricante.
Sensibilidad de los Interruptores Automáticos
Para asegurar el funcionamiento confiable de la unidad de desenganche por sobrecorriente instantánea o de retardo a corto plazo en las condiciones mínimas de operación del sistema y durante la falla de cortocircuito más leve dentro de su rango de protección, la sensibilidad del interruptor automático debe cumplir con los requisitos del "Código de Diseño de Distribución Eléctrica de Baja Tensión" (GB50054-95), que especifica una sensibilidad no menor a 1,3, es decir, Sp = Ik.min / Iop ≥ 1,3. Aquí, Iop es la corriente de operación de la unidad de desenganche por sobrecorriente instantánea o de retardo a corto plazo, Ik.min es la corriente de cortocircuito monofásica o bifásica en el extremo de la línea protegida en las condiciones mínimas de operación del sistema, y Sp es la sensibilidad del interruptor automático.
Al seleccionar un interruptor automático, también se debe verificar su sensibilidad. Para interruptores selectivos con unidades de desenganche por sobrecorriente de retardo a corto plazo e instantáneo, solo se necesita verificar la sensibilidad de la unidad de desenganche de retardo a corto plazo; la sensibilidad de la unidad de desenganche instantáneo no requiere verificación.
Selección y Ajuste de las Unidades de Desenganche de los Interruptores Automáticos
(1) Ajuste de la Corriente de Operación de la Unidad de Desenganche Instantáneo por Sobrecorriente
Algunos equipos eléctricos protegidos por el interruptor automático tienen corrientes pico altas durante el arranque, varias veces la corriente nominal, lo que hace que el interruptor experimente brevemente corrientes pico altas. La corriente de operación Iop(o) de la unidad de desenganche instantáneo por sobrecorriente debe superar la corriente pico del circuito Ipk, es decir, Iop(o) ≥ Krel·Ipk, donde Krel es el factor de confiabilidad. Al seleccionar un interruptor automático, asegúrese de que su ajuste de desenganche instantáneo supere la corriente pico para evitar el desenganche innecesario.
(2) Ajuste de la Corriente de Operación y Tiempo de la Unidad de Desenganche por Sobrecorriente de Retardo a Corto Plazo
La corriente de operación Iop(s) de la unidad de desenganche por sobrecorriente de retardo a corto plazo también debe superar la corriente pico del circuito Ipk, es decir, Iop(s) ≥ Krel·Ipk, donde Krel es el factor de confiabilidad. Los tiempos de desenganche a corto plazo generalmente son 0,2s, 0,4s o 0,6s, determinados en función de la selectividad con los dispositivos de protección aguas arriba y abajo, asegurando que el dispositivo aguas arriba opere después del dispositivo aguas abajo por un paso de tiempo.
(3) Ajuste de la Corriente de Operación y Tiempo de la Unidad de Desenganche por Sobrecorriente de Retardo a Largo Plazo
La unidad de desenganche por sobrecorriente de retardo a largo plazo se utiliza principalmente para la protección contra sobrecargas. Su corriente de operación Iop(l) solo necesita superar la corriente máxima de carga del circuito (corriente calculada I30), es decir, Iop(l) ≥ Krel·I30, donde Krel es el factor de confiabilidad. El tiempo de operación debe superar la duración de las sobrecargas a corto plazo permitidas para evitar el desenganche innecesario.
(4) Requisitos de Coordinación Entre la Corriente de Operación de la Unidad de Desenganche por Sobrecorriente y el Circuito Protegido
Para prevenir daños de aislamiento o incendios debido a sobrecargas o cortocircuitos sin que el interruptor automático se desenganche, la corriente de operación Iop de la unidad de desenganche por sobrecorriente debe satisfacer la condición: Iop ≤ Kol·Ial. Aquí, Ial es la capacidad de corriente permitida del cable aislado; Kol es el factor de sobrecarga a corto plazo permitido—típicamente 4,5 para las unidades de desenganche instantáneas y de retardo a corto plazo, 1,1 para las unidades de desenganche de retardo a largo plazo utilizadas para la protección contra cortocircuitos, y 1,0 cuando se utiliza solo para la protección contra sobrecargas. Si este requisito de coordinación no se cumple, el ajuste de la unidad de desenganche debe modificarse, o se debe aumentar apropiadamente la sección transversal del conductor o cable.
