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Trabajo final de protecciones eléctricas

Presentado por:

Luis Guillermo muñoz 20091372032 Luis Bernardo Moya 20111372007 John Robert Romero 20111372010

Presentado a Juan Carlos Aponte

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica Ingeniería Eléctrica (ciclos propedéuticos) Bogotá, D.C. 2012

Contenido

Contenido ................................................................................................................ 1 Índice de figuras ...................................................................................................... 2 Introducción ............................................................................................................. 3 Zonas de Protección ............................................................................................... 3 Requerimientos de diseño ....................................................................................... 4 Protección del Generador ....................................................................................... 5 Esquemas de protección para generadores grandes........................................... 5 Protección de transformadores ............................................................................. 10 Protección de barras ............................................................................................. 12 Protección de barras (87B) ................................................................................ 12 Protección de líneas .............................................................................................. 16 Esquemas de protección para líneas ................................................................. 16 Protección de redes de distribución contra sobrecorriente .................................... 19 Conclusiones ......................................................................................................... 21 Bibliografía ............................................................................................................ 21

Índice de figuras Figura 1: zonas de protección ................................................................................. 4 Figura 2: Sistema de potencia básico ..................................................................... 5 Figura 3: Ubicación de los mecanismos de protección dentro del sistema de generación............................................................................................................... 6 Figura 4: Las funciones de protección y las fallas que ellas cubren dentro del generador. ............................................................................................................... 7 Figura 5: Simbología empleada............................................................................... 8 Figura 6: Esquema de protección para generadores hasta 5 MVA ......................... 8 Figura 7: Esquema de protección para generadores por encima de 5 MVA ........... 9 Figura 8: Esquema de protección grupo generador-transformador. Protección estator. .................................................................................................................... 9 Figura 9: Esquema de protección para transformadores MV/LV ........................... 10 Figura 10: Esquema de protección para transformadores HV/MV/LV. .................. 11 Figura 11: Protección de barras ............................................................................ 13 Figura 12: protección digital de barras – arquitectura distribuida .......................... 13 Figura 13: protección digital de barras – arquitectura centralizada ....................... 14 Figura 14: Protección diferencial para configuración doble barra.......................... 14 Figura 15: Protección diferencial parcial para barra seccionada. .......................... 15 Figura 16: Arreglos de protección para alimentadores y anillos de media tensión.17 Figura 17: Arreglo típico para protección de líneas de alta tensión. ...................... 18 Figura 18: Diagrama unifilar simplificado de un alimentador de distribución con los diferentes............................................................................................................... 20

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TRABAJO FINAL PROTECCIONES ELECTRICAS Introducción Un sistema de suministro y transporte de Energía Eléctrica debe cumplir con varios requisitos indispensables para prestar un servicio con niveles altos de calidad y seguridad. Las protecciones del sistema eléctrico deben cumplir requerimientos de confiabilidad, efectividad, además de brindar respaldo y conservar y asegurar la vida de las personas y equipos. Un sistema de protección bien diseñado y adecuadamente coordinado es vital para asegurar que el sistema eléctrico de potencia opere dentro de los requerimientos y parámetros previstos. Al brindarle seguridad a redes y costosos equipos, también se está protegiendo una inversión de capital muy grande y se protege también a las personas. La operación automática permite aislar las fallas tan rápido como sea posible para minimizar los daños. Los costos económicos y los beneficios de un sistema de protección deben ser tenidos en cuenta con el fin de obtener un adecuado balance entre los requerimientos del sistema y los recursos financieros disponibles. Ante la ocurrencia de una falla o de una condición anormal, el sistema de protección debe ser capaz de detectar el problema inmediatamente y aislar la sección afectada, permitiendo así que el resto del Sistema de Potencia permanezca en servicio y limitar la posibilidad de daño a los otros equipos. La protección debe ser lo suficientemente sensible para que opere con rapidez aun bajo fallas incipientes. Zonas de Protección Las protecciones eléctricas debido a su aplicación y funcionamiento y coordinación son diseñadas con fines específicos, y para distintos equipos, teniendo en cuenta que estos equipos están interconectados entre sí y con distintos niveles de tensión se hace necesario la coordinación de protecciones, permitiendo así aislar una posible falla de manera rápida sin ocasionar afectaciones a todo el sistema. En general, el sistema de potencia se divide en zonas de protección para generadores, motores, transformadores, barras, circuitos de transmisión y distribución como se muestra en la figura

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Figura 1: zonas de protección

Requerimientos de diseño Previo al diseño y aplicación de un sistema de protecciones, se debe tener ciertos criterios, los cuales están sujetos a las características del sistema de potencia. Se debe tener en cuenta:  Configuración del sistema.  Sistemas de protección existentes y sus dificultades.  Procedimientos y prácticas de operación existentes y expansiones futuras posibles.  Grado de protección requerido.  Estudio de fallas.  Carga máxima, relaciones de los transformadores de corriente.  Localización, conexiones y relaciones de los transformadores de potencia.  Impedancia de las líneas y de los transformadores. Básicamente lo que se quiere mostrar es la disposición de equipos en un sistema básico de potencia, donde se mencionaran los equipos necesarios y sus características para lograr la adecuada protección y coordinación de protecciones. El esquema se menciona un generador, un transformador elevador la línea de transmisión, el transformador reductor, y las cargas asociadas, esta disposición se muestra en la figura siguiente: 4

Figura 2: Sistema de potencia básico

Las protecciones necesarias se mencionaran en orden de jerarquía, con el fin de dar concordancia con la figura anterior. Protección del Generador Los mecanismos de protección discutidos anteriormente se muestran en la figura 3 y son diseñados para reaccionar a fallas que ocurren en el generador. La figura 4 muestra a manera de resumen, las diferentes funciones de protección, su localización en la máquina y las fallas cubiertas por las diferentes protecciones del generador. La protección del generador debe tener en cuenta la importancia del generador y sus características técnicas tales como potencia, voltaje, sistema de puesta a tierra y consideraciones económicas. Un esquema completo de protección debe garantizar que el generador este protegido contra todas las fallas que puedan ocurrir; sin embargo, es improbable que los costos puedan ser justificados para todas las centrales generadoras, especialmente para las estaciones con unidades pequeñas. Es por lo tanto, necesario definir un esquema de protección que sea adecuado para el tamaño de la máquina. Esquemas de protección para generadores grandes. Para grandes generadores, por encima de los 5 MVA, el esquema de protección normalmente debe contener:      

Protección diferencial para cubrir fallas internas. Protección de falla a tierra usando relevadores de alta impedancia. Protección de respaldo por medio de protección de distancia o de sobrecorriente con restricción de voltaje. Protección de potencia inversa. Protección contra pérdida de excitación. Protección contra sobrecarga usando relevadores térmicos.

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Las protecciones de sobrevoltaje y de bajo voltaje, así como aquellas para alta y baja frecuencia, son recomendadas para unidades muy grandes; ellos están incluidos como items opcionales indicados con círculos punteados en la figura 7

Figura 3: Ubicación de los mecanismos de protección dentro del sistema de generación.

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Figura 4: Las funciones de protección y las fallas que ellas cubren dentro del generador.

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Figura 5: Simbología empleada

Figura 6: Esquema de protección para generadores hasta 5 MVA

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Figura 7: Esquema de protección para generadores por encima de 5 MVA

Figura 8: Esquema de protección grupo generador-transformador. Protección estator.

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Protección de transformadores En contraste con los generadores, en los cuales pueden surgir muchas condiciones anormales, los transformadores pueden sufrir solo cortocircuitos de devanados, circuitos abiertos, o sobrecalentamiento. En la práctica no se provee de protección con relevadores contra circuitos abiertos puesto que ellos no son perjudiciales. En la práctica general no se provee contra sobrecarga ni contra sobrecalentamiento; ellos pueden ser accesorios térmicos que hacen sonar una alarma o controlan un banco de ventiladores, pero con solo pocas excepciones, el disparo automático de los interruptores del transformador no es practicado generalmente. Una excepción es cuando el transformador suministra una carga previsible determinada. La protección de respaldo contra fallas externas puede ser considerada como una forma de protección de sobrecarga, pero el pickup de tales equipos de protección es usualmente alto para proporcionar protección efectiva al transformador excepto para cortocircuitos prolongados. Allí permanece, luego, solo la protección contra cortocircuitos en los transformadores o sus conexiones, y la protección de respaldo contra fallas externas.

Figura 9: Esquema de protección para transformadores MV/LV

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Figura 10: Esquema de protección para transformadores HV/MV/LV.

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Protección de barras Protección de barras (87B) Una de las perturbaciones que se pueden presentar en la red eléctrica y que pueden afectar a las barras de una subestación son los cortocircuitos. Este tipo de falta se produce por contacto entre las fases o contacto a tierra por objetos extraños que ocasionan la falta. Como la falta se produce normalmente en el aire y no en el aislamiento de un equipo, no hay un daño físico; pero, como consecuencia de las altas corrientes de cortocircuito, se producen esfuerzos térmicos y mecánicos importantes en todos los equipos de la barra. Si bien los equipos están diseñados para las magnitudes de las corrientes que se producen, estas faltas provocan una reducción de la vida útil de los equipos. Con el fin de reducir al máximo todos los efectos negativos derivados de las perturbaciones se procura que el sistema de protección tenga una alta velocidad de operación. La detección se basa en el principio de la corriente diferencial, ya que la sumatoria de todas las corrientes que se conectan a la barra debe ser cero. Existen dos metodologías que son: Corriente Diferencial con Alta Impedancia: se conectan todos los circuitos a una alta impedancia donde se evalúa la tensión. Si la suma de las corrientes es cero no hay tensión en esta impedancia; luego, al producirse una falta interna aparece una corriente diferencial que produce la tensión de operación del relé. Este sistema es preferido por su seguridad frente a faltas externas ya que se calcula para impedir una falsa actuación en este caso. Diferencial Porcentual: se basa en la primera ley de Kirchhoff, se determina la corriente diferencial como la suma de las corrientes entrantes menos las salientes. Este sistema pierde selectividad ante faltas externas de elevada intensidad que provocan saturación en los transformadores de intensidad, para evitarlo es necesaria una característica de disparo con estabilización. El circuito diferencial que usa un sencillo relé de sobrecorriente se muestra en la figura 11. Si el transformador de corriente no se satura, la magnitud de la corriente diferencial (Id) será cero y no habrá posibilidad de operación del relé. Si existiera saturación del TC, la corriente diferencial Id será diferente de cero y podría operar el relé de sobrecorriente si la corriente diferencial Id supera el valor de ajuste del relé protección.

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Figura 11: Protección de barras

Figura 12: protección digital de barras – arquitectura distribuida

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Figura 13: protección digital de barras – arquitectura centralizada

Figura 14: Protección diferencial para configuración doble barra.

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Figura 15: Protección diferencial parcial para barra seccionada.

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Protección de líneas Para proteger las líneas y equipo asociado en la subestación contra fallas ocasionadas por descargas atmosféricas (sobretensiones,) se utilizan los pararrayos y un buen sistema de puesta a tierra que incluya la malla de tierra de la subestación, buenas puestas a tierra de las torres y cables de guarda. Además, se recomienda la puesta a tierra de todo el equipo de la sala de control y en general, de todas las partes metálicas para garantizar la protección humana y del equipo mismo. Es de anotar que para protección contra fallas por sobretensión ocasionadas por agentes externos (descargas atmosféricas) o por agentes internos (desconexiones de líneas largas), se debe contar con una muy buena coordinación de aislamiento. Se acostumbra también en líneas largas de gran capacitancia, compensadas con transformadores de potencial tipo inductivo o reactores. Para la protección contra cortocircuitos (producidos por fallas entre fases y fallas fase-fase), se utilizan en las líneas, relevadores de distancia y relevadores de sobrecorriente (direccionales y no direccionales). Para protección contra sobrecargas sostenidas, se utilizan relevadores de sobrecorriente. Para seleccionar el esquema de protección más adecuado para una determinada línea de transmisión, se debe analizar una serie de componentes, tales como:     

Configuración del sistema de potencia. Parámetros del sistema: Longitud e impedancia de las líneas transformadores. Estudio de cortocircuito. Carga máxima. Localización de transformadores de potencial y de corriente, entre otros.

y

Esquemas de protección para líneas Estas deben protegerse con relevadores de sobrecorriente, los relevadores de sobrecorriente direccional deben usarse en anillos de media tensión mientras que los circuitos radiales de media tensión deben incluir relevadores de recierre en el esquema de protección. Es práctica común en alimentadores de media tensión que para el disparo de los relevadores instantáneos se enrute la vía para los relevadores de recierre. Esto asegura que el relevador de recierre este energizado desde un relevador de disparo para comenzar la operación de recierre. Las unidades de tiempo diferido 16

son usadas con frecuencia para producir un disparo de tiempo definido, es decir, sin la posibilidad de que ocurra una operación de recierre.

Figura 16: Arreglos de protección para alimentadores y anillos de media tensión.

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Figura 17: Arreglo típico para protección de líneas de alta tensión.

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Protección de redes de distribución contra sobrecorriente Un sistema de distribución consiste de un alimentador trifásico principal (troncal) protegido por un interruptor de potencia o restaurador tripolar en la subestación, un restaurador central en el alimentador principal y circuitos laterales monofásicos o trifásicos conectados al alimentador principal a través de seccionalizadores o fusibles. Las fallas en los sistemas de distribución se clasifican, de acuerdo con su naturaleza, en temporales o permanentes. Una falla temporal se define como aquella que puede ser liberada antes de que ocurra algún daño serio al equipo o a las instalaciones. Un ejemplo de fallas temporales o transitorias son los arqueos que se producen en los aisladores debido a sobretensiones por descargas atmosféricas, "galopeo" de los conductores (debido a fuertes vientos o sismos) o a contactos temporales de ramas de árbol con los conductores. Una falla que en un inicio puede ser de naturaleza temporal puede convertirse en permanente si no se despeja rápidamente. Una falla permanente es aquella que persiste a pesar de la rapidez con la que el circuito se desenergiza. Si dos o más conductores desnudos en un sistema aéreo de distribución se juntan debido a rotura de postes, crucetas o conductores, la falla será permanente. Un arqueo entre fases de un circuito con conductor aislado puede ser inicialmente temporal, pero si la falla no se despeja rápidamente los conductores pueden romperse y la falla se volvería permanente. Casi todas las fallas en los sistemas de distribución subterráneos son de naturaleza permanente. Fallas de aislamiento del cable debido a sobrevoltajes y roturas mecánicas del cable son ejemplos de fallas permanentes en cables subterráneos. Si un circuito de distribución fuera instalado sin el equipo de protección de sobrecorriente, las fallas podrían causar una falta de suministro de energía a todos los consumidores servidos desde el alimentador. Esto trae como consecuencia una reducción en los niveles de confiabilidad (continuidad del servicio) que son inaceptables. Para incrementar el nivel de confiabilidad en el suministro de energía eléctrica existen dos opciones:  

Diseñar, construir y operar un sistema de tal forma que el número de fallas se minimice. Instalar equipo de protección contra sobrecorrientes de tal forma que reduzca el efecto de las fallas.

Se deben analizar las dos alternativas para que el servicio al consumidor tenga un nivel de confiabilidad aceptable al más bajo costo. 19

Un sistema de distribución consiste de un alimentador trifásico principal (troncal) protegido por un interruptor de potencia o restaurador tripolar en la subestación, un restaurador central en el alimentador principal y circuitos laterales monofásicos o trifásicos conectados al alimentador principal a través de seccionalizadores o fusibles. Se utilizan cuchillas operadas manual o remotamente para seccionar y conectar por emergencia con alimentadores adyacentes.

Figura 18: Diagrama unifilar simplificado de un alimentador de distribución con los diferentes.

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Conclusiones Los sistemas de protección son tan redundantes como se quiera confiabilidad y continuidad de servicio sobre el equipo a proteger, generalmente son de esta manera con equipos de alta tensión ya que estos son los principales en un sistema de distribución y son los de mayor costo. La coordinación debe ser tan estricta como sea posible, ya que el no correcto funcionamiento de las protecciones, puede incidir para que se disipe la falla de una manera adecuada y rápida, de este modo la falla no va a incidir y derivarse a otras zonas de protección, ocasionando que se inhabiliten más equipos asociados al sistema. Cada equipo tiene asociada protecciones con funciones específicas, aunque un equipo puede sintetizar en un mismo modulo todas estas funciones, optimizando los equipos de control y supervisión. Bibliografía 1. Ramírez Castaño, Samuel. Protección de sistemas eléctricos. Manizales : Universidad Nacional de Colombia. Primera edición. 2. Enríquez Harper, Gilberto. Fundamentos de protección de sistemas eléctricos por relevadore. México, D.F. : Limusa, 2002. 3. Carrillo Caicedo, Gilberto. Protecciones Eléctricas (Notas de Clase). Bucaramanga : Universidad Industrial de Santander, 2007. 4. Castiblanco, John Nicolas y Benavides, Cristian. TRABAJO FINAL DE PROTECCIONES. Bogotá, D.C. : UNIVERSIDAD DE LA SALLE, 2005.

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