Unidad 1 Proteción de sistemas eléctricos de potencia

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Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia

Protección de sistemas eléctricos de potencia

1. Introducción

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Elementos de sistemas de potencia • Generadores. • Transformadores • Líneas de transporte. • Barras. • Banco de capacitores. • Motores.

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Sistema de potencia

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Diagrama unifilar

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Control de sistemas de potencia • Control durante las condiciones de operación normal. – Control de frecuencia – Control de tensión – Operación económica.

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Control de sistemas de potencia • Control durante disturbios. – Sistema de protección de elementos. – Sistemas de protección. – Reconexión automática. – Transferencia automática a fuentes de tensión alternativas. – Sincronización automática.

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Características de los modernos sistemas de potencia • Los sistemas de potencia operan cerca de los límites de seguridad. – Grandes unidades generadoras. – Largas líneas de transmisión. – Redundancia reducida.

• Es común la independencia entre los productores de energía eléctrica.

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Fallos en los sistemas de potencia. • Cortocircuitos. • Contactos a tierra. – Sistemas con neutro aislado. – Sistemas aterrados con alta impedancia.

• Apertura de fases.

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Tiempos admisibles de desconexión • 400 - 500 kV menos de 100 ms. • 115 - 330 kV entre 150 a 250 ms. • Menos de 115 kV entre 1 a 2 s.

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Condiciones anormales de los sistemas de potencia • Sobrecorrientes. – Sobrecargas. – Fallas externas. • Operación desbalanceada. • Oscilaciones de potencia. • Corrientes de inserción de transformadores. • Restauración de carga fría. 11

Cortocircuitos • Altas corrientes. – Esfuerzos mecánicos. – Esfuerzos térmicos.

• Caída de tensión. – Estabilidad. – Calidad de potencia. 12

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Cortocircuitos típicos en distribución • • • •

Simple fase a tierra .... 70-80% Doble fase a tierra...... 17-10% Bifásica...................... 10-8% Trifásica .................... 3-2%

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Causas de los cortocircuitos • • • • • • •

Descargas atmosféricas. Suciedad/salinidad sobre los ailadores. Contorneos entre líneas (arrollamientos). Contorneo a árboles. Torre/polo o conductor caído. Objetos que caen sobre los conductores. Aislamiento del cable fallado.

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Descargas atmosféricas • Estadísticamente el 80% de las fallas en líneas aéreas son debido a descargas atmosféricas.

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Falla en un sistema de potencia • Libera una considerable cantidad de energía • Causa que el daño del equipo se extienda. • Causa pérdida del suministro por diferentes partes.

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Necesidad de un sistema de protección • Los componentes eléctricos de un sistema de potencia deben ser protegidos contra los cortocircuitos o condiciones anormales de operación, generalmente provocadas por los propios cortocircuitos. • Ante la ocurrencia de esos eventos es necesario que la parte afectada sea aislada rápidamente del restante de la red eléctrica para evitar daños materiales y restringir su repercusión en el sistema. 17

Funciones de la protección de los sistemas de potencia • Detectar la falla. • Desconectar automáticamente el elemento afectado por una falla o por un régimen anormal de operación. • Proporcionar información del tipo de falla o régimen anormal. • Indicar la localización aproximada de la falla. 18

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Propósito de la protección de los sistemas eléctricos • Aislar el equipamiento fallado inmediatamente después del inicio de la falla. B

C F

A D E Para: • Minimizar el daño del equipamiento. • Mantener la electricidad a los usuarios. • Conservar la seguridad del personal. 19

Dispositivos de protección • • • • •

Fusibles. Reconectadores automáticos. Seccionalizadores. Interruptores de B.T. Relés de protección.

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Relé de protección • es un dispositivo que recibe una o mas informaciones de carácter analógico

(intensidad de corriente, tensión, temperatura, presión, etc.) y transmite una orden binaria (cierre o apertura de un circuito de comando), esto cuando las informaciones recibidas alcanzan valores superiores o inferiores a ciertos límites establecidos de antemano.

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Esquema de protección • Arreglo completo de dispositivos de protección y equipos asociados para lograr una función específica de protección, en base a un principio de operación y diseñado para un objetivo dado.

Canal de comunicaciones 22

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Elementos de un esquema de protección • Elementos de entrada: Dispositivos transductores de corriente y de tensión. • Elementos de decisión: Relés y esquema de protección. • Elementos de Operación: batería e interruptor, proveyendo la energía requerida para operar el dispositivo de maniobra . • Canales de comunicación.

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Transformadores de medición • CT - Transformador de corriente. – Reducción de la corriente. – Aislamiento.

• VT - Transformador de tensión. – Reducción de la tensión. – Aislamiento.

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Circuito de disparo DC +

RELÉ

INTERRUPTOR

-

Contactos del relé

52 TC

51 52a

51

Estación de baterías DC

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Diagrama multifilar de un esquema de protección

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Principios de detección de fallas • Sobrecorriente. • Corriente diferencial. • Ángulos de fase de las corrientes. • Sobre y sub tensión. • Dirección del flujo de potencia

• Componentes simétricas de tensión y de corriente. • Impedancia. • Frecuencia. • Armónicas.

IL

Fuente L

IR

52

52

Relay L

Fuente R

Relay R

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IEEE C.37.2 Número de dispositivos • • • • •

51 relé de sobrecorriente con acción temporizada 67 relé de sobrecorriente direccional. 21 relé de mínima impedancia. 87 relé diferencial. 52 interruptor automático.

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Clasificación de la operación de las protecciones • Operación correcta. – Reposo. – Disparo

• Operación incorrecta. – Falla en el disparo. – Falso disparo. – No operación

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Requerimiento de la protección de sistemas de potencia • Confiabilidad (dependabilidad y seguridad). Es el grado de certeza de actuación correcta de un dispositivo para la cual el fue proyecto. Los relés de protección, diferentes de otros dispositivos, tiene dos alternativas de desempeño indeseado: – Falla en la actuación.- no actúa cuando debería. – Actuación incorrecta.- actúa cuando no debiera. 30

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Ejemplo de confiabilidad

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Requerimiento de la protección de sistemas de potencia • Selectividad. Es la propiedad de garantizar la máxima continuidad del servicio con la mínima desconexión de elementos durante una falla.

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Selectividad y zonas de protección • El relé será considerado seguro si el responde solamente a las fallas dentro de su zona de protección. • Las zonas de protección deben de cumplir con los siguientes requisitos: – Todos los componentes del sistema de potencia deben ser cubiertos por los menos por una zona. – Las zonas de protección se deben sobreponer para evitar que cualquier componente quede desprotegido. 33

Zonas de protección • Porción del sistema protegido por un determinado esquema de protección. Esta puede ser abierta o cerrada.

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Definición de las zonas de protección

• Localización de los TC’s a ambos lados del interruptor.

• Localización de los TC’s a un lado del interruptor. 35

Requerimiento de la protección de sistemas de potencia • Velocidad – Estabilidad del sistema. – Daño del equipo. – Calidad de potencia.

• Sensibilidad. – Es la propiedad de detectar todas las fallas que ocurran en la zona protegida, aún las más pequeñas. 36

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Requerimiento de la protección de sistemas de potencia • Simplicidad. • Economía. – Costos de la protección. – Costos de equipamiento. – Costos de interrupción del servicio.

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Factores que afectan a la protección • • • •

Económicos. Ingeniería de relés. Dispositivos de aislamiento y de entrada. Indicadores de fallas disponibles

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Protección principal • La que actúa más rápidamente, es la primera que debe de actuar y la única preferentemente ante una falla en el sistema. • Los relés operan los circuitos de disparo de los interruptores.

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Redundancia del sistema de protección • Un sistema protección puede no actuar cuando sea solicitado, caracterizando en lo que comúnmente se denomina rehuso a la operación. El rehuso se puede originar por varias causas, tales como: error de proyecto, error de montaje, defecto del disyuntor, defecto del relé. • Es esencial proveer de un sistema alternativo que proporcione una redundancia de protección. Esta protección es denominada de respaldo (back-up) o secundaria. 40

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Protección de respaldo • Esquema de protección que deberá operar en caso que la protección principal no lo haga. • En otras palabras, se entiende como protección de respaldo o reserva, a aquellos dispositivos que actúan cuando por cualquier motivo la cadena de acción de la protección principal falla. • La protección de respaldo usualmente desconecta partes mayores que la parte fallada, pero esto es necesario si se quiere despejar la falla.

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Protección de respaldo local • En la protección de respaldo local los relés están instalados en una misma subestación de la protección primaria y los transformadores de instrumento y la batería que los alimentan son los mismos y actúan sobre el mismo disyuntor, que una eventualidad de falla en uno de éstos equipos afecta a ambos esquemas.

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Protección de respaldo remoto • En la protección de respaldo remota los relés los transformadores de instrumento, la batería que los alimentan y el disyuntor los cuales actúan son completamente independientes, que toma también esquemas independientes.

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Protección de respaldo

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