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Departamento de Energía Eléctrica - DEE

ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

CAPITULO 1 : GENERALIDADES Antonio Fonseca [email protected] 022-420-720 Ext. 5202 Departamento de Energía Eléctrica ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

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GENERALIDADES ¾ Introducción ¾ Componentes simétricas, redes de secuencia y cálculo de fallas ¾ Transformadores de potencial ¾ Transformadores de corriente ¾ Nuevas tecnologías de transformadores de medida ¾ Norma IEC 909 ¾ Código ANSI/IEC de protecciones ¾ Protecciones Numéricas

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INTRODUCCION

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Características de Operación de un SEP: -

ECONOMÍA.- Operación económica: despacho económico, despacho económico con pérdidas, OPF (límites de la red), SCOPF (límites de la red considerando contingencias).

-

CALIDAD.- Calidad en voltaje y frecuencia (±3-5% Vn, ±2% fn) y alta disponibilidad (mínimo número de interrupciones). Las interrupciones pueden ocasionarse por: ƒ Operación de las protecciones (fallas) ƒ Mantenimiento de equipos

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INTRODUCCION (cont.) El sistema de protecciones debe cumplir requerimientos de confiabilidad: - Cubrir la totalidad del SEP (zonas de protección y solapamiento)

Referencias: -Network Protection & Automation Guide. AREVA. -The Art & Science of Protective Relaying. Russell Mason. General Electric.

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INTRODUCCION (cont.)

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-

Cumplir requerimiento de N-1 en los equipos de protección (respaldo).ƒ Protección Primaria o Principal: primera línea de defensa ante fallas ƒ Protección Secundaria o Respaldo: funciones de protección que pueden ser diferentes, con tiempos de actuación en algunos casos superiores, considerando inclusive diferentes puntos de medición y/u operación de interruptores diferentes ƒ Protección Redundante: equipos de protección idénticos con diferentes puntos de medición que trabajan de manera independiente uno del otro, ( esquema utilizado en los diseños de protección de L/T del SNT ecuatoriano). 5

INTRODUCCION (cont.)

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-

Cumplir niveles adecuados de: ƒ Dependabilidad: grado de certeza que el sistema de protecciones operará correctamente ante fallas en su zona de protección. ƒ Seguridad: grado de certeza que el sistema de protecciones no operará ante fallas fuera de su zona de protección. ƒ Sensitividad: se relaciona con los mínimos valores de entrada que produce la operación de un relé (pick-up). ƒ Selectividad: capacidad para diferenciar para que condiciones se requiere la operación de un relé, y aquellas para las que no debe operar u operar de manera temporizada. ƒ Velocidad: tiempo requerido para emitir la orden de disparo. 6

INTRODUCCION (cont.)

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CAUSAS DE LAS FALLAS: -

Perforación del Aislamiento: ƒ Envejecimiento del aislamiento debido al exceso de temperatura durante tiempos prolongados. ƒ Descargas por efecto corona en la aislación. ƒ Sobretensiones transitorias producidas por tormentas o maniobras en la red. ƒ Esfuerzos en los equipos debido a fallas externas con altas corrientes.

-

Causas Externas: - Arboles, aves, accidentes, etc.

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INTRODUCCION (cont.)

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TIPOS DE LAS FALLAS: -

-

Fallas Permanentes: Generalmente causadas por perforación del aislamiento, ruptura de conductores o objetos en contacto permanente con los conductores de fase. Fallas Transitorias: Ocasionados por sobretensiones transitorias , descargas directas e inversas, etc Fallas semitransitorias: Generalmente se deben a causas externas.

Aproximadamente el 80% de las fallas son transitorias y semitransitorias y el 20% permanentes. En consecuencia la elección del uso de un recierrre automático es conveniente.

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INTRODUCCION (cont.) SISTEMA POR UNIDAD: Unidades base: - Sb: Potencia base, invariable para todo el sistema (100 MVA) - fb: Frecuencia base, invariable para todo el sistema - Vb: Voltaje base, invariable para áreas del sistema Todas las unidades se refieren a un sistema en Y.

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS COMPONENTES SIMETRICAS: Basado en el Teorema de Fortescue (“Method of Symmetrical Coordinates Applied to the solution of Polyphase Networks”, Trans. A.I.E.E. Junio 28-1918) Teorema: “Un sistema de n vectores se puede descomponer en n subsistemas balanceados, de los cuales n-1 subsistemas tienen los vectores uniformemente distribuidos en el espacio y el restante tiene los vectores en fase”. Aplicado al sistema trifásico: n=3 n-1=2 subsistemas uniformemente distribuidos positiva 1, secuencia negativa 2) y, 1 subsistema en fase (secuencia cero 0)

(secuencia

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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COMPONENTES SIMETRICAS: (cont.) a = 1∠120º = e

j

2π 3

a = 1∠ − 120º = e 2

⎡Va ⎤ ⎡1 1 ⎢V ⎥ = ⎢1 a 2 ⎢ b⎥ ⎢ ⎢⎣Vc ⎥⎦ ⎢⎣1 a ⎡Va 0 ⎤ ⎡1 1 ⎢V ⎥ = 1 ⎢1 a ⎢ a1 ⎥ 3 ⎢ ⎢⎣Va 2 ⎥⎦ ⎢⎣1 a 2

−j

2π 3

1 ⎤ ⎡Va 0 ⎤ a ⎥⎥ ⎢⎢Va1 ⎥⎥ a 2 ⎥⎦ ⎢⎣Va 2 ⎥⎦ 1 ⎤ ⎡Va ⎤ a 2 ⎥⎥ ⎢⎢Vb ⎥⎥ a ⎥⎦ ⎢⎣Vc ⎥⎦

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS IMPEDANCIAS DE SECUENCIA: 1.- Transformadores: Circuito Equivalente

Referencia: -Electrical Transmission & Distribution Reference Book. ABB.

POLARIDAD:

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS IMPEDANCIAS DE SECUENCIA (cont.): Transformadores tridevanado:

Impedancias de secuencia positiva y negativa.-

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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Transformadores (cont.): Secuencia cero.-

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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Transformadores (cont.): Secuencia cero.-

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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Transformadores (cont.): Impedancias de secuencia de un autotransformador

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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2.- Líneas de Transmisión:

c

Referencia: -Computer Simulation of Power Systems. University of Waterloo.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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Líneas de Transmisión (cont.)

Modelo reducido π:

Referencia: -Computer Simulation of Power Systems. University of Waterloo.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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Líneas de Transmisión (cont.)

⎡1 1 A = ⎢⎢1 a 2 ⎢⎣1 a

1⎤ ⎡1 1 1 a ⎥⎥ ; A −1 = ⎢⎢1 a 3 ⎢⎣1 a 2 a 2 ⎥⎦

Referencia: -Análisis de Sistemas de Potencia. Grainger - Stevenson.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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Líneas de Transmisión (cont.)

Referencia: -Análisis de Sistemas de Potencia. Grainger - Stevenson.

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1⎤ a 2 ⎥⎥ a ⎥⎦

COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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3.- Generadores:

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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Generadores (cont.)

Referencia: -Análisis de Sistemas de Potencia. Grainger - Stevenson.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS CALCULO DE FALLAS Condiciones para cada tipo de falla:

Los voltajes corresponden al voltaje monofásico en el punto de falla y las corrientes a los aportes de cada fase hacia la falla.

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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COMPONENTES SIMÉTRICAS, REDES DE SECUENCIA Y CALCULO DE FALLAS

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CALCULO DE FALLAS

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

Circuito equivalente:

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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

ERROR DE CORRIENTE =

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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

Carga del TC (Burden):

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TRANSFORMADORES DE POTENCIAL

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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TRANSFORMADORES DE POTENCIAL

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Circuito equivalente:

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TRANSFORMADORES DE POTENCIAL

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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TRANSFORMADORES DE POTENCIAL

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Carga del TP (Burden):

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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TRANSFORMADORES DE POTENCIAL

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Divisor capacitivo de potencial:

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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TRANSFORMADORES DE POTENCIAL

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Divisor capacitivo de potencial:

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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TRANSFORMADORES DE POTENCIAL

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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NUEVAS TECNOLOGÍAS DE TRANSFORMADORES DE MEDIDA

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NUEVAS TECNOLOGÍAS DE TRANSFORMADORES DE MEDIDA

El elemento “optical sensing medium” es un sensor de campo eléctrico o magnético, que permite establecer una señal óptica que es proporcional al campo que produjo el movimiento 37

NUEVAS TECNOLOGÍAS DE TRANSFORMADORES DE MEDIDA

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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE.- Basados en la medición del campo magnético

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NUEVAS TECNOLOGÍAS DE TRANSFORMADORES DE MEDIDA

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TRANSFORMADORES DE VOLTAJE.- Basados en la medición del campo eléctrico

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NUEVAS TECNOLOGÍAS DE TRANSFORMADORES DE MEDIDA

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NUEVAS TECNOLOGÍAS DE TRANSFORMADORES DE MEDIDA

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NORMA IEC 909

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(Tomado de: International Standard IEC 909-1988)

La norma IEC 909 denominada “ Short-Circuit Current Calculation in Three-Phase A.C. Systems”, ha sido preparada por el Comité Nº 73 de la International Electrotechnical Comission; este standard es aplicable al cálculo de corrientes de cortocircuito de: ¾ Sistemas trifásicos de corriente alterna de bajo voltaje ¾ Sistemas trifásicos de corriente alterna de hasta 230 kV de voltaje nominal operando a sus frecuencias nominales (50 o 60 Hz) Considera dos diferentes corrientes de cortocircuito (Icc) a calcularse, las mismas que difieren en su magnitud, estas son: 1. Icc máximas: utilizadas para determinar la capacidad del equipamiento eléctrico 2. Icc mínimas: utilizadas en la selección de fusibles y ajuste de protecciones

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NORMA IEC 909 Formas de onda de cortocircuitos considerados por la norma IEC 909

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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Definiciones:

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.) Componente DC aperiódica:

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Factor de voltaje

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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Cálculo de Cortocircuitos: a) Un punto de alimentación :

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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Un punto de alimentación (cont.)

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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Cálculo de Cortocircuitos b) De varios puntos de alimentación

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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De varios puntos de alimentación (cont.)

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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Cálculo de Cortocircuitos c) Redes Malladas

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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Redes Malladas (cont.)

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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Redes Malladas (cont.)

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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Redes Malladas (cont.)

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA IEC 909 (cont.)

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Con relación al cálculo de corrientes mínimas

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA ANSI

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(Conceptos Generales)

Referencia: -International Standard IEC 909 – 1988.

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NORMA ANSI (cont.)

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CODIGO ANSI/IEC DE PROTECCIONES

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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PROTECCIONES NUMERICAS

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DESARROLLO DE LOS RELÉS DE PROTECCION.1.- Relés Electromecánicos

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

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Relés Electromecánicos (cont.)

Referencia: -Protecciones de Sistemas Eléctricos. Brand & Moncada.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

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Relés Electromecánicos (cont.)

Referencia: -Protecciones de Sistemas Eléctricos. Brand & Moncada.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

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Relés Electromecánicos (cont.)

Referencia: -Protecciones de Sistemas Eléctricos. Brand & Moncada.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

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2.- Relés de Estado Sólido

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

Relés de Estado Sólido (cont.)

Referencia: -Protecciones de Sistemas Eléctricos. Brand & Moncada.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

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3.- Relés Digitales

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

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4.- Relés Numéricos

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

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Relés de Numéricos (cont.)

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

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Relés de Numéricos (cont.)

Referencia: -Network Protection & Automation Guide. AREVA.

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PROTECCIONES NUMERICAS (cont.)

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Relés de Numéricos (cont.)

Referencia: -Computer Relaying for Power Systems. Phadke & Thorp.

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