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• Rafael Solano Perilla

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO

PATRONES Y MANUALES GESTIÓN DE RIESGO DE ARCO ELÉCTRICO

SELECCIÓN CRITÉRIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES

Fecha: Abr-2008

Realizo: INESSMAN Ltda.

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO 1. OBJETIVO Establecer los parámetros del ajuste de las protecciones a ser implementados en los dispositivos de protección en media y baja tensión del sistema eléctrico que se indique por parte de PETROBRAS, con el fin de garantizar la selectividad en su accionamiento bajo condiciones de falla. 2. DOCUMENTOS COMPLEMENTARIOS IEEE 242-2001: Recommended Practice for Protection and Coordination of Industrial and Commercial Power Systems. 3. DEFINICIONES Para fines de este patrón se han adoptado las definiciones tomadas de la norma IEEE 242-2001 que serán indicadas en los ítems 3.1 a 3.10 3.1 Corriente de cortocircuito Una sobrecorriente, o más corriente de lo normal, que va fuera de la trayectoria normal de la corriente cuando se desvía alrededor de la carga. (Capítulo 5. FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN. Artículo 5.2 DEFINICIONES) 3.2 Corriente de irrupción (Inrush) La corriente de magnetización Inrush es una condición transitoria que ocurre cuando se energiza un transformador, cuando el voltaje aumenta repentinamente después de haber aislado una falla y el sistema se restablece, ó cuando se energizan dos transformadores en paralelo. Esta corriente fluye solo de la fuente hacia el transformador (Sin fluir fuera de el) razón por la que aparece como una corriente diferencial. 3.3 Inspección Acción de mantenimiento que comprende un escrutinio cuidadoso de un artículo llevado a cabo sin usar todos los sentidos según lo requerido para detectar cualquier cosa que hace que el artículo no cumple con las condiciones aceptables. (Capítulo 16. MANTENIMIENTO, PRUEBA Y CALIBRACIÓN. Artículo 16.2 DEFINICIONES).

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO 3.4 Limitador de Corriente Un dispositivo destinado a funcionar solamente en corrientes de falla y no sobrecorrientes menores independientes del tiempo. Tal dispositivo se utiliza a menudo en serie con un interruptor, que protege contra sobrecargas y cortocircuitos de bajo nivel. Sin embargo, los limitadores del cable son tipos de limitadores que se utilizan para proporcionar la protección del cortocircuito para los cables, sin estar en serie con otro tipo de dispositivo. (Capítulo 5. FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN. Artículo 5.2 DEFINICIONES). 3.5 Mantenimiento Una combinación de las acciones llevadas a cabo para mantener un artículo, o restaurarlo a una condición aceptable. (Capítulo 16. MANTENIMIENTO, PRUEBA Y CALIBRACIÓN. Artículo 16.2 DEFINICIONES). 3.6 Prueba Una medida realizada para determinar la condición de un artículo. (Capítulo 16. MANTENIMIENTO, PRUEBA Y CALIBRACIÓN. Artículo 16.2 DEFINICIONES). 3.7 Retardo Un término usualmente aplicado a la hora de la apertura de un fusible cuando en más de 1 ciclo, donde el tiempo puede variar considerablemente entre los tipos y los fabricantes y todavía estar dentro de estándares establecidos. (Capítulo 5. FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN. Artículo 5.2 DEFINICIONES). 3.8 Selectividad Un término general que describe el funcionamiento correlacionado de dispositivos de protección. Se obtiene la selectividad completa cuando una cantidad mínima de equipo se quita del servicio para el aislamiento de la falla o de otra anormalidad. (Capítulo 5. FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN. Artículo 5.2 DEFINICIONES). 3.9 Sobrecarga Una sobrecorriente, o más corriente de lo normal, que permanece en la trayectoria normal de la corriente. (Capítulo 5. FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN. Artículo 5.2 DEFINICIONES).

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO 3.10 Tiempo de Formación de Arcos El tiempo transcurrido desde la fusión de los actuales elementos de corriente sensibles (Por ejemplo, el acoplamiento) a la interrupción final del circuito. Este tiempo depende de factores tales como voltaje y la reactancia del circuito. (Capítulo 5. FUSIBLES DE BAJA TENSIÓN. Artículo 5.2 DEFINICIONES). 4. SIMBOLOGÍA Acorde con la normatividad fijada por IEE-1584 e IEEE-135, la simbología aplicada a la metodología de cálculo y de manejo en diagramas mediante software ETAP 5.5.6 corresponde a la presentada en la siguiente tabla. Para mayor información reemitirse a las normas anteriormente nombradas.

Transformador de 2 devanados

Cable

Línea de Transmisión

Maquina de Inducción

Motor Síncrono

Carga no Lineal

Generador Síncrono

Carga Lineal

Condensador

Fusible

Contactor

Interruptor de alta Tensión

Interruptor de baja Tensión

Relé de protección

Relé de protección

Tabla 1. Simbología (Cortesía ETAP 5.5.6

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Enterprise Solution for Electrical Power Systems)

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5. CLASES DE PROTECCIONES 5.1 Protecciones de Corriente Las protecciones de corriente miden permanentemente la corriente de cada fase con la finalidad de detectar las sobrecorrientes que se puedan producir en un cortocircuito. El tiempo de actuación de esta protección es una función del valor de la corriente y puede ser de tiempo definido o de tiempo inverso. 5.2 Protecciones de tensión La tensión es una característica nominal de un sistema eléctrico. En consecuencia, los diferentes equipos conectados al sistema eléctrico han sido diseñados para una tensión nominal determinada y, por consiguiente, soportan sobretensiones de un cierto porcentaje sin averiarse. Las sobretensiones son picos de tensión muy altos de corta duración y un crecimiento muy rápido. Las causas principales son las descargas directas y lejanas de rayo y las conmutaciones en la red eléctrica. 5.3 Protección de Frecuencia En los sistemas eléctricos de corriente alterna, la frecuencia es una de las magnitudes que definen la calidad del servicio, y para mantener estable su valor nominal es necesario que exista, permanentemente, un equilibrio entre la generación y el consumo. En caso de romperse este equilibrio, se hace necesario tomar acciones inmediatas sobre la red y para ello se utilizan relés de sobre o subfrecuencia. 5.4 Protecciones Diferenciales La protección diferencial funciona calculando la diferencia de las corrientes que entran y salen de la zona protegida. Para ello se debe tener en cuenta que existen diferencias que no son imputables a una falla. 6. TIPOS DE PROTECCIONES 6.1 Funciones contra Sobrecorriente (50/51 – 50N/51N) Como se había anteriormente mencionado, el tiempo de actuación de esta protección es una función del valor de la corriente y puede ser de tiempo definido cuando se supera un umbral previamente calibrado o de tiempo inverso cuya operación depende Fecha: Abr-2008

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO del tiempo según una función exponencial establecida. Para el caso de ser de tiempo definido, su operación puede ser instantánea (función 50) o temporizada (función 51).

6.2 Función corriente balanceada (46) La protección de carga no balanceada se efectúa detectando las corriente de secuencia negativa (46), cuya presencia indica que si tiene asimetrías eléctricas que reflejan la existencia de una asimetría mecánica, es decir que se tiene conectada una carga o balanceada. 6.3 Funciones de subtensión y sobretensión (27 y 59) La protección de tensión mide permanentemente la corriente de cada fase con la finalidad de detectar las tensiones que son mayores o menores que las del rango normal de operación. Si las tensiones son menores que las del rango establecido se tiene una protección de subtensión o mínima tensión (función 27); en el caso de tensiones mayores se tiene la protección de sobretensión (función 59). Las protecciones de sobre y subtensión deben operar en un tiempo prudencial, permitiendo la posible corrección de la desviación de la magnitud nominal que intentarán efectuar los dispositivos reguladores. Por consiguiente, es usual utilizar relés a tiempo inverso o relés a tiempo independiente con tiempos comprendidos entre 2 a 20 segundos. El disparo instantáneo solo se emplea en aquellos casos en que la sobretensión es de gran magnitud. 6.4 Protección de subfrecuencia y sobre-frecuencia (81U – 81O) Las protecciones de frecuencia son protecciones que tomas la señal de tensión, pero miden la frecuencia de la onda alterna. Esta protección aplica en dos casos: 6.4.1 Subfrecuencias (81U) Estas ocurren por la pérdida de la capacidad del grupo de atender la carga conectada. Los ajustes son para un umbral establecido con una temporización que se debe especificar. 6.4.2 Sobrefrecuencias (81O) Estas ocurren por disminuciones de carga del generador y la máquina no logra estabilizar su frecuencia oportunamente. 6.5 Función diferencial (87 – 87N) Fecha: Abr-2008

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO Las corrientes diferenciales que corresponden a valores de la operación normal son: las corrientes de magnetización (o de carga) del elemento protegido, la cual es una cantidad constante; el error de relación en los transformadores de corriente que es una diferencia casi proporcional a los valores de la corriente y el error debido a la saturación de los transformadores de corriente, el cual prácticamente no existe con pequeñas corrientes, pero que se hace mayor con corrientes elevadas. La corriente diferencial que no es falla es la suma de los tres componentes anteriormente mencionados y su cálculo permite establecer el ajuste del relé diferencial para que no efectúe una falsa operación. La protección diferencial de la corriente de tierra (87N) suele ser efectuada con una protección diferencial de alta impedancia, la cual viene a ser una protección diferencial de tensión, debido a que utiliza una alta impedancia en el relé, la cual genera una tensión con todas las corrientes que entran a la zona de protección. En caso que no exista la falla, o si se presenta una falla externa a la zona protegida, la suma de las corrientes es cero y la tensión generada en el relé es cero. 6.6 Función direccional (67 – 67N) En la protección de sobrecorriente direccional se debe especificar la dirección del flujo de corriente para la que aplica la protección. Para se evaluación numérica por el relé se requiere una referencia o polarización con la que se efectúa el cálculo, donde se prefiere usar la tensión ya que su ángulo se mantiene relativamente constante durante una falla. A diferencia de la protección de sobrecorriente direccional, en la protección de sobrecorriente direccional a tierra se usa como referencia la tensión homopolar por lo cual se debe ajustar el ángulo de máxima sensibilidad según el sistema de puesta a tierra. 6.7 Función de Potencia Inversa (32) La protección de potencia inversa se aplica, para evitar el flujo de potencia activa en una determinada dirección y se calcula a partir de la tensión y la corriente que mide el relé. Esta protección se aplica a los generadores y su ajuste se hace en función de la potencia nominal. Para tal efecto se debe considerar una temporización que permita evitar falsas actuaciones cuando la máquina absorbe potencia sincronizante o cuando se produce una oscilación de potencia. 7. CRITERIOS GENERALES DE AJUSTES Para definir la operación del sistema de protección, se debe considerar un ajuste que sea totalmente adaptado a todas las condiciones de operación normal del sistema eléctrico; además, se requiere una coordinación para asegurar que las fallas Fecha: Abr-2008

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO (funcionamiento anormal del sistema), así como las condiciones indeseadas de los equipos sean aisladas afectando lo mínimo posible a las partes no afectadas. Por lo anterior, se tiene en cuenta la siguiente información: 

Características nominales de los principales equipos de conversión electromecánica instalados en el campo, así como de los elementos que componen su sistema de distribución de energía eléctrica.

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Características de placa de los equipos de protección y maniobra existentes en los niveles de media y baja tensión (marca, modelo, corriente nominal y capacidad de ruptura a tensión nominal de operación, tipo de unidad de disparo, etc).

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Manuales disponibles de los equipos de protección.

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Información de equipos y elementos de protección cuya instalación en el sistema se halla proyectada.

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Información de los grupos de medida asociados a los relés de protección (relación y modo de conexión de CT’s y PT’s).



Topología a implementar en campo.

El ajuste de la protección está determinado por la capacidad y el comportamiento de los equipos e instalaciones del sistema eléctrico, para lo cual se debe considerar todas las condiciones de operación, ya sean temporales como permanentes. En tal sentido se debe considerar particularmente las corrientes de conexión de equipos o instalaciones como son: la corriente de inserción de los transformadores, la corriente de carga de las líneas de transmisión y las corrientes de arranque de los grandes motores. Se debe considerar las posibles sobrecargas de los equipos e instalaciones, de acuerdo a sus capacidades de diseño. En tal sentido, los ajustes de la protección representan los umbrales de estas capacidades con un cierto margen de seguridad. Con el fin de minimizar los efectos de potenciales fallas en el sistema, se procura reducir hasta donde sea posible los umbrales y los tiempos de retardo, sobre todo en las protecciones con tiempo definido, respetando en todos los casos los márgenes necesarios para no comprometer la operabilidad de los equipos como consecuencia de los fenómenos transitorios que se puedan presentar en el sistema eléctrico. Adicional a lo anterior y teniendo en cuenta que la sensibilidad de la protección debe permitir detectar fallas aún con las mínimas corrientes de cortocircuito y que la selectividad de las protecciones de respaldo debe mantenerse aún con las máximas corrientes de falla, se procura eliminar o reducir al nivel mínimo posible los traslapes entre funciones, con el fin de garantizar la correcta selectividad del sistema, para esto se considera que el tiempo de operación entre un dispositivo y otro sea de cien milisegundo.

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO Para establecer el arranque de las protecciones de sobrecorriente, se debe considerar la capacidad de la corriente del elemento protegido, la cual depende de la duración prevista para la corriente de falla. Así mismo, se debe considerar la sensibilidad de las corrientes mínimas de falla que se pueden producir al final de la zona protegida, la cual corresponde al elemento protegido y al elemento siguiente. En cuanto al análisis de selectividad, se tienen los siguientes criterios: -

Cargas estáticas: Para la selección de los ajustes de las protecciones de las cargas estáticas se tuvo en cuenta que los equipos individuales pueden operar eventualmente demandando la potencia indicada en placa y que los grupos de equipos suplidos a través de una alimentación común desde una barra principal podrían eventualmente operar demandando una potencia igual a la suma de sus potencias individuales en placa.

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Motores: Independientemente del modo de arranque, los tiempos de aceleración se definieron como 6 s a plena carga, la corriente en los primeros ciclos que suceden a la energización presenta una condición de asimetría cuyo valor es como máximo 1.76 veces la corriente de rotor bloqueado, y que esta última es igual a 6 veces la corriente nominal en placa. Para los motores que arrancan a tensión reducida, o con variación de voltaje y frecuencia, se tuvo en cuenta que en el caso de los motores controlados por VFD ´s, los valores de la corriente entregada por la alimentación al conjunto no son superiores a 3 veces el valor nominal en placa, ni el tiempo de aceleración excede los 6 s.

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Transformadores: Los ajustes correspondientes a las protecciones de los transformadores de potencia se determinaron bajo la premisa de obtener el máximo aprovechamiento de su capacidad nominal de carga, sin comprometer su integridad. El esquema de protección se ha planteado sobre la base de la característica de destrucción según ANSI C57-1991 y las corrientes nominales primaria y secundaria, haciendo caso omiso de si algunos de ellos incorporan imagen térmica. Bajo ninguna circunstancia se ha previsto que la corriente nominal de los transformadores de potencia involucrados en este análisis llegue a ser excedida por más de 10 s (tiempo máximo de aceleración de un motor NEMA Clase 10).

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO De manera invariable se asume una corriente de irrupción (inrush) igual a 10 veces la corriente nominal en placa. Los parámetros mencionados anteriormente sirven para definir los ajustes de dispositivos de protección o las capacidades de los fusibles, según el caso particular. Para los transformadores instalados en campo que tienen conexiones DeltaEstrella no existe transferencia de corrientes de secuencia cero entre los grupos primario y secundario, y por ello no se efectuó análisis de coordinación para falla a tierra entre estos niveles de tensión. Para definir de manera precisa los ajustes de las protecciones diferenciales asociadas a los transformadores de potencia se requeriría disponer de la información concerniente a las características de saturación de los transformadores de corriente ubicados tanto del lado de alta como del lado de baja tensión. De no contar con esta información, la solución que se propone es ajustar las funciones de protección con base en los lineamientos generales indicados en el manual de los equipos asociados a los transformadores a proteger. -

Generadores En cada caso el umbral de la función contra sobrecarga se ajusta en un valor igual a la corriente de placa del equipo a proteger. Los retardos de tiempo para las funciones de sobrecorriente instantánea se seleccionaron en forma tal que hubiera un margen de tiempo adecuado para garantizar una correcta selectividad entre las protecciones de los generadores y las de las cargas. En cuanto a la protección de potencia inversa, se tiene en cuenta que según el estándar IEEE 242 de 1975 los márgenes de flujo de potencia inversa permisibles son del 3 % para máquinas movidas por turbinas de vapor, y hasta del 10 % para unidades movidas por turbinas de gas o por motores diesel o a gas. De otro lado, se propone un retardo de 3.0 s el cual asegura que no se presenten disparos falsos por efecto de los fenómenos transitorios inherentes a eventuales variaciones en los niveles de carga, o a la propia maniobra de sincronización. Para definir de manera precisa los ajustes de las protecciones de balance de fases para los generadores se requeriría disponer de la información concerniente a las características constructivas de los rotores de los mismos. Una recomendación usual es que un generador no debe operar alimentando una carga con un nivel de desbalance del orden del 10 % por más de dos horas. Las funciones de sobretensión y subtensión se enfocan básicamente a garantizar que el nivel de voltaje se mantenga dentro de límites que permitan la operación normal de las cargas sin riesgo para su integridad. De acuerdo a ello, se Fecha: Abr-2008

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MANUAL CRITERIOS DE AJUSTE DE PROTECCIONES - ARCO ELECTRICO considera que un umbral del 80 % de la tensión nominal es adecuado para la función de subtensión, contando con un tiempo de retardo de 5 segundos, en tanto que para la de sobretensión se especifica un nivel de 110 % y un retardo de 3 segundos. La función de protección contra comportamiento anormal de la frecuencia se enfoca básicamente a garantizar que este parámetro se mantenga dentro de límites que permitan la operación normal de las cargas sin riesgo para su integridad. De acuerdo con ello, se considera que un umbral de 55 Hz es adecuado para la función de sub-frecuencia, en tanto que para la de sobrefrecuencia se recomienda un nivel de 62 Hz. Para ambos casos se sugiere un retardo operativo de 1 segundo.

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