Verificación de la cadena de disparos: Un pilar esencial para la seguridad eléctrica

Continuando con los artículos relacionados a la Seguridad Eléctrica (el anterior lo pueden leer en «El unifilar eléctrico y su impacto en la Seguridad Eléctrica «), abordaremos en esta oportunidad por qué es importante la verificación y prueba de disparo de la correlación entre un dispositivo de disparo y el elemento de maniobra, para asegurar el disparo en tiempo y forma esperada, realizando hincapié cuando dichos tiempos intervinientes están directamente relacionado a energías incidentes que impactan en el estándar de Seguridad de las personas.

Cuando pensamos en cómo proteger al personal operador y de mantenimiento para determinadas tareas/maniobras, llegamos a la necesidad de invertir en un estudio de Arc Flash, para así conocer el grado de energía incidente según NFPA 70e y por último definir el Elemento de Protección Personal especifico para reducir el riesgo de lesión grave. O bien, identificar a través del mismo, mejoras tecnológicas para adecuar los niveles de energía.

Pero esto siempre dando por sentado sobre el papel que tenemos la instalación en perfectas condiciones.

Nos abre una serie de preguntas que nos debemos hacer: Cuando fue la última vez que disparó mi conjunto relé de protección e interruptor? Los tiempos de disparo (relé, interruptor) que estoy cargando en el software, son los reales o me estoy fiando del dato de placa? Los tiempos están dentro de los esperados para mi tecnología?

¿Qué tiempos intervienen en el retardo real de una cadena de disparo?

Conocemos que, no sólo el tiempo ajustado de una protección será el que debamos tener en cuenta a la hora de realizar un estudio de coordinación y Arc Flash, sino también existen otros tiempos intervinientes en la «cadena de operación» de una Celda o Cubicle:

Como vemos en la imagen anterior, podemos resumir como mínimo y principalmente en 4 segmentos principales intervinientes (pueden ser más, de acuerdo a cada diseño de ingeniería para cada cadena de disparo en determinados Proyectos). Tenemos intervención esencial en 2 de ellos:

Como ingenieros, tenemos injerencia en mayor o menor medida en todos, pero principalmente son dos las variables que modificamos y ajustamos a la hora de un Estudio y es crítico cuidar de ellas: apertura de la protección y apertura del interruptor

Por supuesto que, al momento de un nuevo proyecto, nuestra decisión sobre el tipo de IED a instalar y qué tecnología de interruptor para la interrupción de un arco intervendrán en la primera y última.

  • Detección de la falla: es el tiempo de retardo interno de cada relé para detectar la falla. En el caso de los IEDs (electrónicos o de estado sólido) dependerá si su programación permite la medición de la corriente por RMS o fasor. Si es RMS, su CPU suele necesitar al menos 1 ciclo para poder calcularlo y recién allí detectar. Por otra parte, en el caso de los relés electromecánicos (EM), los cuales no tienen electrónica asociada, detectan directamente por fasor. Veremos más adelante que acarrean otros inconvenientes a prestar atención.
  • Señal de apertura relé: (*) es el tiempo de retardo que tiene el dispositivo entre haber detectado la corriente, realizar el temporizado ajustado o Pickup y operar el cierre del contacto de disparo auxiliar del mismo. Es decir, aquí es el primer parámetro que depende de nosotros: el ajuste temporizado. Si ajustamos 500mseg, por ejemplo, el relé esperará internamente este tiempo hasta hacer efectivo el contacto auxiliar de apertura. En el caso de los IEDs, se suman mínimos tiempos de respuestas internos de cálculo por CPU por cada operando (si tuviera una lógica programada), que suele rondar los 4 mseg. En cuanto a los EM este apartado es crítico, dado que el tiempo ajustado (los mismos 500mseg del ejemplo) dependerán exclusivamente de partes mecánicas en movimiento. Si nuestro relé EM está descalibrado o presenta una pieza bloqueada, el relé no cumplirá con el tiempo seteado o pero aún, puede directamente NO disparar.
  • Apertura de interruptor (*): es el tiempo de retardo en que el interruptor recibe la señal de disparo del relé, hasta que completa totalmente la separación final de sus polos o contactos. Es el segundo parámetro que debemos cuidar: en un proyecto nuevo, este tiempo viene dado por la tipo y tecnología de interruptor a instalar. En mantenimiento, se los ensaya (medición de simultaneidad de polos y tiempo cierre/apertura) y en caso de encontrarse fuera de parámetros recomendado por el fabricante, se le deberá realizar mantenimiento correctivo (reemplazo de piezas defectuosas, lubricación de componentes, revisar contactos, etc).
  • Extinción de arco remanente: una vez que el interruptor abrió sus contactos (sobre corriente de falla), el arco generado entre dichos polos suele durar unos ciclos adicionales. Este tiempo, que suele ser de unos 40 mseg según la tecnología de la cámara de apagachispas o medio aislante de la cámara de interrupción, se debe tener en cuenta dado que siguen siendo valores cercanos a la falla. Aquí se vuelve importante el mantenimiento del interruptor porque, si cumplido los 3 puntos anteriores el arco remanente entre polos se mantiene, no solo no estamos despejando la falla sino que tenemos un nuevo evento superpuesto en el propio interruptor, pudiendo fundir sus contactos y explotar.

Un caso práctico, real

Los tiempos antes mencionados existen, son medibles y verificables gracias a las nuevas tecnologías de registro de eventos de los IEDs actuales (a través de los eventos y Comtrades) y/o pruebas que se pueden realizar sobre los equipos.

Un ejemplo visual nos ayudará a darle peso e importancia de los tiempos que estuvimos repasando en este artículo. Cada milisegundo cuenta en la Seguridad Eléctrica

Oscilografía

Explicaré resumidamente con un ejemplo real, a partir del registro de una falla genérica. Este evento fue en 13 800 V, llegando a picos de 70kA (y unos 40 kA RMS) donde vemos la oscilografía de las 3 fases y una marcada falla bifásica que luego de casi 1 ciclo, se convierte en trifásica:

Vemos los 4 segmentos anotados como A, B, C y D respectivamente en el mismo orden que mencionamos dichos tiempos.

NOTA: el cero marcado en la gráfica corresponde al trigger o disparo de la oscilografía del relé, no así del Pickup u operación (trip)

Recomendaciones

Desarrollado el concepto de los tiempos intervinientes, a la hora de realizar un estudio de Arc Flash o Coordinación de Protecciones se recomienda:

  • Relevar la instalación, equipos intervinientes, tecnología, funcionales y unifilares actualizados, experiencias previas de disparo y/o eventos, solicitar informe de ensayos de cada equipo y de la cadena de disparo.
  • Verificar si, en caso de IEDs, existan lógicas de disparo por comunicación u otra automatización que modifique el tiempo de disparo final.
  • Tener en cuenta que, en la carga de datos en el software, será importante entender qué tiempo tiene el relé por ajuste y que tiempos de disparo real posee el interruptor asociado.
  • En caso de un nuevo Proyecto de inversión, definir la tecnología asegurando un alto grado de Seguridad y Confiabilidad

Conclusión

Es de vital importancia que, a la hora de analizar y realizar un estudio de coordinación o ArcFlash, tengamos en claro en cada caso de nuestra instalación bajo análisis cuáles son los tiempos intervinientes, qué tipo de tecnología se encuentra instalada, estudiar los diagramas funcionales actualizados y comprobar los ensayos y pruebas efectivas sobre cadena de disparo.

En un estudio de Arco Eléctrico, una de las variables más importantes para el resultado de la energía incidente es el Tiempo de disparo. Debemos cuidar de consultar, entender e ingresar correctamente los tiempos dado que impactarán directamente en la calidad del estudio, precisión del resultado y por ende en la Seguridad Eléctrica.

Si han llegado hasta aquí, les agradezco la lectura de este artículo. Espero sus comentarios, experiencias o consultas de un tema que a veces no suele conocerse en detalle pero tiene un gran impacto en el estándar de seguridad.

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Muchas gracias.

Ing. Brian Vazquez Cián

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