Para alimentadores de clasificaciones moderadas, digamos hasta 600 / 800A, se prefieren cables, mientras que para clasificaciones más altas (por encima de 1000A), la preferencia es optar por conductores sólidos (sistemas de bus LT) por motivos de seguridad, confiabilidad, mantenimiento, costo, apariencia y facilidad de manejo. Para clasificaciones más grandes, más cables pueden volverse difíciles de manejar y de mantener, y pueden presentar problemas para localizar fallas. Las conexiones sólidas extendidas desde el lado de suministro hasta el extremo receptor a través de barras colectoras se denominan conductos de bus. Estas barras colectoras están alojadas en una carcasa de chapa metálica.
La principal preocupación será tratar con grandes corrientes en lugar de voltajes. Las corrientes grandes son más difíciles de manejar que los voltajes debido a la inducción mutua entre los conductores y también entre el conductor y la carcasa. Este artículo desarrolla los tipos de sistemas de bus cerrados de metal y sus parámetros de diseño para seleccionar el tamaño correcto de las secciones del conductor y las cajas de bus para una clasificación de corriente y voltaje del sistema requeridos.
Tipos de Sistemas de bus cerrados con metal
Un sistema de bus puede ser uno de los siguientes tipos, dependiendo de su aplicación:
-No segregado
-Segregado
-Fase aislada
-Red ascendente (sistemas de bus vertical)
-Bus aéreo (sistema de bus horizontal)
Sistema de bus de fase no segregado
En esta construcción, todas las fases de bus se alojan en un recinto metálico con un espacio adecuado entre ellas y también con el recinto pero sin barreras entre las fases, como se muestra en la figura-1. Al ser vívida, es la metodología más utilizada para todos los tipos de sistemas de LT.
Sistema de bus de fase segregado
En esta construcción, todas las fases están alojadas en un recinto metálico como antes, pero con una barrera metálica entre cada fase, como se muestra en la figura 2. Las barreras metálicas proporcionan el blindaje magnético requerido y aíslan magnéticamente las barras colectoras entre sí.
La carcasa puede ser de MS o aleación de aluminio y las barreras elegidas pueden ser del mismo metal que la carcasa. El propósito de proporcionar una barrera metálica no es solo para cubrir las fases contra cortocircuitos, sino también para reducir el efecto de proximidad de una fase en la otra deteniendo el campo eléctrico producido por los conductores portadores de corriente dentro de la barrera misma. Ahora funciona como un recinto con una disposición de entrelazado que equilibra los campos producidos por los conductores en una medida sustancial y permite solo un campo moderado en el espacio.
Estos se utilizan generalmente para clasificaciones más altas de 3000A y superiores en todos los sistemas de voltaje. Estos, a diferencia del anterior, son preferidos en un sistema HT.
Sistema de bus de fase aislada (IPB)
Utilizado para clasificaciones muy grandes de 10,000 A y superiores. En esta construcción, los conductores de cada fase se alojan en un recinto metálico no magnético separado para aislarlos completamente entre sí con las siguientes ventajas.
– Elimina las fallas de fase a fase.
– Minimiza los efectos de proximidad entre los conductores principales portadores de corriente de las fases adyacentes a casi cero debido al blindaje magnético.
– El sistema de bus es fácil de manejar, flexionar e instalar.
Red ascendente (sistema de bus vertical)
Se utiliza en formación vertical para suministrar pisos individuales de un edificio de gran altura. Se eleva desde la parte inferior del edificio y corre hasta el piso superior. Para reducir el costo, las clasificaciones pueden estar en un orden decreciente después de cada tres o cuatro pisos, ya que después de cada piso se reducirá la carga de ese piso.
Bus superior (sistema de bus horizontal)
A diferencia de un elevador alto, ahora el sistema de bus superior funciona horizontalmente, por debajo del techo a una altura adecuada, para distribuir la energía a puntos de carga ligeros y pequeños. En un sistema de barra colectora superior, la alimentación se puede aprovechar desde cualquier número de puntos para alimentar los puntos de carga justo debajo de ella a través de una caja enchufable análoga a la utilizada en una red ascendente.
Parámetros de diseño y Condiciones de Servicio para un Sistema de Bus Cerrado de Metal
A un sistema de bus se le asignarían las siguientes clasificaciones
-Voltaje nominal
-Frecuencia nominal
-Nivel de aislamiento nominal
-Resistencia a la tensión de frecuencia de potencia
-Resistencia a la tensión de impulso
-Clasificación máxima continua
-Clasificación de corriente de corto tiempo nominal
-Valor pico momentáneo nominal de la corriente de falla
-Duración de la falla
Efectos de cortocircuito
El propósito es determinar el tamaño mínimo de los conductores portadores de corriente y decidir el montaje arreglo.
Un cortocircuito produce una corriente excesiva debido a la baja impedancia del circuito defectuoso entre la fuente de alimentación y la falla. Esta corriente excesiva produce calor excesivo en los conductores portadores de corriente, lo que genera efectos electromagnéticos y fuerzas de atracción y repulsión electro-dinámicas entre los conductores y su estructura de montaje. Estas fuerzas se distribuyen uniformemente a lo largo de los conductores.
El efecto de un cortocircuito requiere a partir de ahora que se tengan en cuenta estos dos factores (efectos térmicos y fuerzas electro-dinámicas) al diseñar el tamaño de los conductores portadores de corriente y su estructura de montaje, que incluye soportes mecánicos, tipo de aisladores y tipo de hardware, además de la distancia longitudinal entre los soportes y el espacio entre conductores fase a fase.
Efectos térmicos
Con dispositivos de interrupción normales, la corriente de falla dura hasta 1 segundo. Este tiempo es demasiado corto para permitir la disipación de calor del conductor a través de la radiación o la convección. El calor total generado en una falla será disipado por el propio conductor. Por lo tanto, el tamaño del conductor debe ser tal que su aumento de temperatura durante una falla mantenga su temperatura final por debajo del nivel donde el metal del conductor comenzará a ablandarse. El aluminio, el metal más utilizado para cables de alimentación, líneas aéreas de transmisión y distribución o para el ensamblaje de interruptores LT y HT y aplicaciones de conductos de bus, comienza a ablandarse a una temperatura de alrededor de 180-200 grados. C.
Como regla general, en una falla, un aumento de temperatura seguro de 100 grados.C por encima de la temperatura final permitida de 85 grados.C o 90 grados.C del conductor durante el servicio normal, es decir, hasta 185 grados.C-190 grados.C durante la condición de falla se considera segura y se toma como base para determinar el tamaño del conductor.
La parte soldada, como en las juntas flexibles, también debe ser segura hasta esta temperatura y no debe usarse para este propósito cuando se prefiere la soldadura de latón.
Para determinar el tamaño mínimo del conductor para un nivel requerido Isc para tener en cuenta solo los efectos térmicos, se utiliza la siguiente fórmula para determinar el tamaño mínimo del conductor para cualquier nivel de falla.
donde
qt = aumento de temperatura en 0C
Isc = corriente de falla simétrica en A
A = área de sección transversal del conductor (mm2)
a20= coeficiente de temperatura de resistencia a 20 0C
0,00403 para Aluminio puro
0,00363 para aleaciones de aluminio
0,00393 para cobre puro
q = temperatura de funcionamiento del conductor a la que se produce la falla en 0C
K = 1,166 para aluminio y 0,52 para cobre
t = duración de la falla (en segundos)
Ejemplo-1: Determinar el tamaño mínimo del conductor para un nivel de falla de 50 Ka durante un segundo para un conductor de aluminio, suponiendo que el aumento de temperatura sea de 100 grados.C y la temperatura inicial del conductor en el momento de la falla 85 grados.C, la sección transversal del conductor sería
100 = (1.166/100) * (50000/A) 2. (1+0.00403*85) *1
Resolviendo A = 625,6 mm2 para Aluminio puro
= 617,6 mm2 para aleaciones de aluminio
= 416 mm2 para cobre puro
Efectos electro-dinámicos:
La corriente de cortocircuito es generalmente asimétrica y contiene un componente de CC. El componente de CC, aunque dura solo tres o cuatro ciclos, crea una condición sub transitoria y causa fuerzas electromagnéticas excesivas entre los conductores portadores de corriente. La estructura de montaje, los soportes de las barras colectoras y los elementos de fijación están sujetos a estas fuerzas electrodinámicas. Aunque esta fuerza es solo momentánea, puede causar daños permanentes a los componentes y debe tenerse en cuenta al diseñar el sistema de transporte de corriente y su estructura de montaje. La fuerza máxima en barras colectoras planas podrá expresarse en:
Fm = Fuerza dinámica máxima estimada que puede desarrollarse en un sistema monofásico o trifásico en una falla
ISC = valor rms de la corriente de falla simétrica en amperios
k = factor de espacio, que es 1 para conductores circulares.
Para conductores rectangulares, se puede encontrar en el gráfico de factor de espacio (figura-3) correspondiente a (S-a)/(a+b)
donde
S = espaciado central entre dos fases en mm
a = espacio ocupado por los conductores de una fase en mm
b = ancho de los conductores en mm
Ver ejemplo-6
Consideraciones de diseño
-Temperatura ambiente
-Tamaño de la carcasa
-Caída de tensión
-Efecto de piel y proximidad
Temperatura ambiente
Para temperaturas ambiente más altas, la capacidad de corriente debe reducirse adecuadamente para mantener la misma temperatura final durante el funcionamiento continuo (reducción de potencia). La temperatura final del aluminio se considera segura a 85-90 grados.C, en la que el metal no se deteriora ni cambia su resistencia mecánica durante un largo período de funcionamiento. La tabla 1 enumera las temperaturas de funcionamiento admisibles de las distintas partes de un sistema de bus. La tabla 2 enumera los factores de desclasificación para una temperatura ambiente más alta o un aumento de temperatura más bajo para la misma temperatura final de 850 ° C o 900 ° C, respectivamente.
Tamaño de gabinete
La carcasa del sistema de bus proporciona el enfriamiento de la superficie para la disipación de calor. Su tamaño tiene una influencia importante en el aumento de temperatura de los conductores y, por lo tanto, afecta su capacidad de carga de corriente. Por lo tanto, el efecto de envolvente y las condiciones de ventilación del entorno en el que se instala la envolvente deben tenerse en cuenta al diseñar un sistema de bus. La relación entre el área de los conductores portadores de corriente y el área de la sección transversal del recinto proporcionará la base para determinar el efecto de disipación de calor. En la Tabla 3 se sugiere el escenario de los factores de disipación aproximados que pueden considerarse como posibles desclasificaciones para un sistema de bus en diferentes condiciones. (Continuará)…
