AI: Introducción a los sistemas de protección

A.I: Introducción a los sistemas de protección
Curso: Introducción a los Sistemas de Protección de Sistemas
Eléctricos de Potencia
Facultad de Ingeniería - UDELAR
(IIE - UDELAR)
Curso: IPROSEP
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Indice
1
Introducción
2
Función de los sistemas de protección
3
Características de los sistemas de protección
4
Zonas de protección
5
Diseño de subestaciones
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Introducción
→ El objetivo de un sistema eléctrico de potencia es generar,
trasmitir y distribuir energía eléctrica a los consumidores.
→ En régimen estacionario este sistema opera cerca de su
frecuencia nominal y las tensiones en todas las barras del mismo
no varían más de un 5 %. Existe un balance entre la potencia
activa y reactiva generada y consumida.
→ El sistema deber ser diseñado y operado de manera de entregar
esa energía de la manera más confiable, segura y económica.
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Introducción
A pesar de que el sistema de potencia, está sometido en forma
constante a perturbaciones: cambio en las cargas, cortocircuitos que
pueden ser originados por la naturaleza, por fallas en algún equipo o
como consecuencia de una operación incorrecta, el mismo mantiene
casi siempre su estado de estacionario y esto es debido a:
- las dimensiones que tiene el sistema de potencia con relación a
las cargas o generadores.
- las acciones rápidas y correctas realizadas por los relés de
protección.
- las acciones de los sistemas de control.
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Introducción
Un sistema eléctrico de potencia está compuesto por:
Generación
Trasmisión
Distribución
Consumidores (Cargas)
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heating, cooling, and lighting; computers and
electronics; commercial enterprise; and even
entertainment and leisure—in short, nearly all
aspects of modern life. Customers have grown to
expect that electricity will almost always be available when needed at the flick of a switch. Most
customers have also experienced local outages
caused by a car hitting a power pole, a construction crew accidentally damaging a cable, or a
Introducción
photovoltaic, etc. Some generators are owned by
the same electric utilities that serve the end-use
customer; some are owned by independent power
producers (IPPs); and others are owned by customers themselves—particularly large industrial
customers.
Electricity from generators is “stepped up” to
higher voltages for transportation in bulk over
Sistema
eléctrico de potencia:
Figure 2.1. Basic Structure of the Electric System
! U.S.-Canada Power System Outage Task Force ! August 14th Blackout: Causes and Recommendations !
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Introducción
En el sistema de potencia ocurren cambios en forma
permanentemente compensados por los sistemas de control. La
respuesta del sistema de potencia a una perturbación depende de la
configuración del mismo y de la severidad de la misma.
Algunas de estas perturbaciones son:
Cortocircuitos
Conductor abierto
Sobrecarga
Sobre o sub tensión . . .
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Función de los sistemas de protección
La función de los sistemas de protección es detectar faltas y
condiciones anormales de funcionamiento del sistema eléctrico de
potencia e iniciar las acciones correctivas, lo más rápido posible, de
manera que el sistema retorne a otro punto de funcionamiento estable.
Los sistemas de protección tienen 4 funciones principales:
- Proteger todo el sistema de potencia de manera de mantener la
continuidad del servicio.
- Minimizar los daños causados por las faltas.
- Aportar a la estabilidad del sistema eléctrico.
Estos requerimientos son necesarios, tanto para detectar y localizar
las faltas como para remover de servicio el o los equipamientos en
falta.
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Características de los sistemas de protección
Para poder cumplir con estos requerimientos, los sistemas de
protección deben tener la siguiente cualidad:
Confiablidad
Capacidad de un sistema o componente de realizar sus funciones
requeridas bajo condiciones establecidas por un período determinado
de tiempo.
Aplicación a protecciones de sistemas eléctricos:
Se aborda la confiabilidad enfocada en el disparo correcto o
incorrecto de las protecciones.
No se trata de la confiabilidad asociada exclusivamente a la
rotura, defecto o falla de las protecciones o sistemas de
protección.
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Características de los sistemas de protección
Confiabilidad o Fiabilidad (Reliability)
Probabilidad de que una función, relé o sistema de protección cumpla
sin fallar la función para la cual fue destinado, durante un período de
tiempo, cuando está siendo sometido a exigencias dentro de sus
límites operacionales.
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Características de los sistemas de protección
La confiabilidad tiene dos aspectos:
Dependability (Dependabilidad):
Probabilidad de que una función, relé o sistema de protección
opere correctamente (no deje de operar) en el caso de una falta o
defecto en el sistema de potencia, dentro de la zona que protege.
Es la faceta de la confiabilidad que indica el grado en que la
función, equipo o sistema opera correctamente cuando debería
operar.
Security (Seguridad):
Probabilidad de que una función, relé o sistema de protección NO
dispare incorrectamente, habiendo o no falta o defecto en el
sistema eléctrico protegido.
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Características de los sistemas de protección
Se trata tanto de:
el disparo intempestivo (incorrecto) cuando no hay falta o defecto
o condición anormal
el disparo incorrecto cuando sí hay falta o defecto o condición
anormal
en la zona protegida del sistema eléctrico.
Es la faceta de la confiabilidad que indica el grado en que la función,
equipo o sistema no dispara cuando no debería operar.
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Características de los sistemas de protección
La confiabilidad también incluye:
Velocidad:
Operar rápidamente cuando deber hacerlo, para minimizar los daños y
aportar a la estabilidad.
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Combinaciones básicas de equipos y su efecto en la confiabilidad
Ejemplo numérico:
Nombre del
arreglo
Equipo solo
2
equipos
con disparos
en paralelo
2
equipos
con disparos
en serie
Votación por
mayoría, 2
de 3 equipos
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Dependability 1-Security
Probabilidad
del disparo
deseado
0.940
0.996
Probabilidad
de disparo
no deseado
8.00E-03
1.59E-02
Two-out-oftwo
0.884
6.40E-05
Two-out-ofthree
0.990
1.91E-04
One-out-oftwo
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Disponibilidad
Es el porcentaje del tiempo en que un equipo o sistema está
operativo o disponible para su uso.
Las protecciones numéricas con su importante capacidad de
autodiagnóstico (self-check) permiten su alta disponibilidad, al
reportar cuando fallan.
En protecciones con tecnologías anteriores que no tenían
posibilidad de autodiagnóstico o que su autodiagnóstico era
limitado a algunas partes del hardware o software, podían estar
indisponibles sin que se supiera.
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Disponibilidad
La detección de dichas fallas ocultas se produciría entonces recién
cuando:
Se ensaya el relé como parte de rutinas periódicas de
mantenimiento detectivo o búsqueda de fallas.
Peor aún cuando hay una falta en el equipo protegido y la
protección no dispara o lo hace de manera no predeterminada.
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Zonas de protección
→ Los relés de protección generalmente toman sus medidas de
transformadores de medida de corriente, y su zona de protección
está limitada por esos transformadores.
→ Los transformadores de medida de corriente le proporcionan una
ventana por la cual el relé de protección ”ve” como se comporta
el sistema de potencia dentro de su zona de protección.
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Zonas de protección
Para poder cubrir todos los equipos de potencia por los sistemas de
protección, las zonas de protección deben cumplir con los siguientes
requerimientos:
Todos los equipos de potencia deben estar comprendidos en por
lo menos una zona de protección. En la práctica, los equipos más
importantes están incluidos en al menos dos.
Las zonas de protección deben superponerse para prevenir que
ningún elemento del sistema quede sin protección.
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Zonas de protección típicas en un sistema de
potencia
Zona de protección:
- Grupo Generador – Transformador
- Transformador
- Barras
- Línea
- Barras
- Línea
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Protección principal y de respaldo
Protección principal:
Sistema de protección que opera frente a faltas en la zona
protegida, lo más rápido posible sacando de servicio la menor
cantidad de equipamiento posible.
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Protección principal y de respaldo
Protección de respaldo:
Equipo o sistema de protección el cual debe operar cuando una
falta en el sistema de potencia no es eliminada en el tiempo
esperado debido a fallas o incapacidad del sistema principal de
protección de operar o en caso de falla del interruptor.
En caso de incapacidad del sistema principal de protección de
operar también puede ocurrir que la protección de respaldo se
habilite y opere en forma instantánea.
Las protecciones de respaldo incluye protecciones de respaldo
remotas, locales y falla de interruptor. Falla de interruptor se define
como la falla del interruptor al abrir o interrumpir la corriente cuando
recibe una señal de disparo.
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Respaldo local y remoto
El objetivo de las protecciones de respaldo es abrir todas las fuentes
de alimentación a una falta no despejada en el sistema. Para realizar
esto en forma eficiente las protecciones de respaldo deben:
Reconocer la existencia de todas las faltas que ocurren dentro de
su zona de protección.
Detectar cualquier elemento en falla en la cadena de
protecciones, incluyendo los interruptores.
Iniciar el disparo de la mínima de cantidad de interruptores
necesarios para eliminar la falta.
Operar lo suficientemente rápido para mantener la estabilidad del
sistema, prevenir que los equipos se dañen y mantener la
continuidad del servicio.
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Respaldo remoto
Históricamente, las protecciones de respaldo se han ubicado en las
estaciones adyacentes o remotas. Sin embargo, como los sistemas
han crecido en complejidad, también han crecido las dificultades para
aplicar protecciones de respaldo remoto.
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Respaldo remoto
En el diseño de los sistemas de protección de respaldo, se deben
considerar:
Selectividad: El respaldo remoto proporciona poca selectividad. Para una
falla en un interruptor, todas las líneas que alimentan la falta
deben abrir en su extremo remoto; con lo cual una gran parte
del sistema se desconecta.
Sensibilidad: El respaldo remoto proporciona poca sensibilidad. Como el
número de líneas que alimentan las estaciones ha crecido, la
corriente de falta por cada línea ha decrecido. Con lo cual para
poder operar el ajuste de corriente debe bajarse,
comprometiendo la corriente de carga máxima que puede
circular.
Velocidad: El respaldo remoto debe ser lento para permitir que los relés
principales operen.
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Respaldo local y falla interruptor
→ El respaldo local está ubicado en la misma estación. Se basa en
la filosofía que todas las fallas del sistema de protección principal
deberían detectarse en la fuente de la falla y las acciones
correctivas deben hacerse localmente.
→ Si las protecciones principales fallan, las protecciones de
respaldo local disparan el interruptor.
→ Si el interruptor falla, tanto las protecciones principales como las
de respaldo inician la protección de falla de interruptor para
disparar los interruptores adyacentes al interruptor en falla y
enviar una señal de transferencia de disparo al interruptor del
extremo remoto.
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Sistemas de protección redundantes
Los sistemas de protección redundantes también son llamados
sistemas funcionalmente equivalentes.
Es común en partes críticas del sistemas de potencia, contar con
sistemas redundantes de protección, generalmente llamados
Sistema 1 y Sistema 2 (Main 1 & Main 2) disparando con el
criterio one-out of two (paralelo).
Los sistemas redundantes aumentan la Dependabilidad (operar
cuando se debe operar), pero es muy posible que bajen la
Security (disparar cuando no se debe operar).
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Interdependencia
→ Es la probabilidad de que, ante un defecto en el sistema de
potencia, un sistema de protección responda de igual manera (en
el sentido que responde correcta o incorrectamente) que otro
sistema de protección en la misma ubicación y ante el mismo
defecto.
→ Es importante considerar la conveniencia de que la
interdependencia entre ambos sistemas debe ser baja, de
manera de minimizar que ninguno de los dos sistemas despeje un
defecto dado.
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Interdependencia
Para lograr una interdependencia baja es común que ambos
sistemas de protección:
tengan distintas baterías de alimentación o al menos distintos
circuitos de alimentación,
midan corrientes de distintos núcleos de TIs,
midan tensiones de distintos bobinados de TVs
estén en diferentes paneles,
disparen distintas (o ambas) bobinas de apertura del interruptor,
etc.
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Subestación: Definición
Definición de subestación
Una subestación eléctrica es un conjunto situado en el mismo lugar,
de equipamiento eléctrico y de los edificios necesarios para realizar
algunas de las siguientes funciones:
- transformación de la tensión
- transformación de la frecuencia
- cambio de la configuración del sistema
- cambio de un sistema en otro AC/DC
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Subestación: Definición
Diseño de las subestaciones:
Subestaciones aéreas: Instaladas en locales abiertos. Requieren de
equipamiento diseñado para operar en condiciones
ambientales adversas.
Subestaciones interiores: Instaladas en locales cerrados. El
equipamiento eléctrico está protegido frente a los
agentes atmosféricos, las distancias son menores y nos
más caras.
Subestaciones blindadas: Instaladas en locales cerrados. Todo el
equipamiento esta aislado en gas, SF6 . El espacio
requerido es muy reducido y son utilizadas en las
ciudades.
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Tensiones nominales y tensiones de servicio
→ La tensión nominal de un sistema se define como aquella con la
cual se designa el sistema y a la cual se referencian las
características de operación.
→ La tensión de servicio en un punto cualquiera de un sistema
eléctrico es el valor realmente existente en dicho punto, en un
instante determinado.
→ La tensión de servicio de una red no permanece constante sino
que varía de acuerdo con las condiciones de funcionamiento del
sistema eléctrico.
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Equipamiento de las subestaciones
La estructura básica de una subestación contiene los siguientes
equipamientos:
Barras
Equipamiento de maniobra: Seccionadores e Interruptores
Transformadores de medida: Corriente y Tensión
Compensación de potencia reactiva
Pararrayos, descargadores
Malla de puesta a tierra
Sistemas de protección, control y monitoreo
Transformadores de potencia
etc.
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Equipamiento de las subestaciones
Barras: La función de las barras es la de interconectar varios
componentes de una subestación para formar la
configuración requerida de la misma.
Equipamiento de maniobra: La función del equipamiento de
maniobra es conectar y desconectar elementos de la
subestación del resto del sistema de potencia. Algunos
de estos equipamientos, como los interruptores, son
capaces de interrumpir corrientes de falta. Otros
equipamientos, como los seccionadores, pueden
conectar o desconectar corrientes del orden de la
corriente de carga u operar cuando no circula corriente.
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Equipamiento de las subestaciones
Transformadores de medida: La función de los transformadores de
medida, transformadores de medida de corriente y
transformadores de medida de tensión, es la de
proporcionar tensiones y corrientes de baja magnitud
para ser usadas en los sistemas de protección y en los
equipamientos de medida y aislar galvánicamente. Estos
valores de tensión y corriente son proporcionales a los
valores de tensión y corriente que existen en las barras y
equipamiento de la subestación.
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Equipamiento de las subestaciones
Equipamiento de compensación de reactiva: Para compensar la
reactiva en el sistema de potencia, se debe utilizar
grandes cantidad de potencia reactiva inductiva o
capacitiva. El equipamiento típico para la compensación
de reactiva incluye los bancos de condensadores y de
reactores.
Pararrayos, descargadores: Los pararrayos son los elementos de
protección de los equipos de las subestaciones contra
descargas atmosféricas y protección contra
sobretensiones.
Malla de puesta a tierra: La malla o red de puesta a tierra suministra
la adecuada protección al personal y al equipamiento que
dentro o fuera de la subestación pueden quedar
expuestos a tensiones peligrosas cuando se presentan
faltas a tierra en la instalación.
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Equipamiento de las subestaciones
Sistemas de protección, control y monitoreo: Un sistema de
protección, control y monitoreo se define como un
conjunto formado por los dispositivos de medida,
indicación y señalización, la regulación, el control manual
y automático.
Transformadores de potencia: Los transformadores de potencia
transfieren la potencia a diferentes valores de tensión,
niveles de trasmisión y niveles de distribución.
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Tipo de subestaciones
Subestaciones de generación: subestaciones que sirve como
conexión a una central generadora.
Subestaciones de maniobra: subestaciones que sirve para
interconectar sistemas o dentro de un sistema en la que
distribuye la energía a subestaciones de transformación.
Subestaciones de transformación: subestaciones cuyo objetivo es
el de suministra energía a un sistema con un nivel de
tensión diferente. Estas subestaciones pueden ser
elevadoras, cuando la tensión de salida es más elevada
que la de entrada, o de lo contrario sería una subestación
reductora, de distribución o carga.
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Configuración de las subestaciones:
→ Los equipamientos y las barras de una subestación están
dispuestas y conectados de una manera específica para
determinar una cierta configuración de barras; de tal forma que su
operación permita dar a la subestación diferentes grados de
confiabilidad y flexibilidad de operación, transformación y
distribución de cargas y facilitar la indisponibilidad de equipos.
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Barra simple
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Barra simple
La subestación posee una sola barra a la cual se conectan las
diferentes secciones por medio de un interruptor.
Ventajas:
Económica
Fácil de proteger
Ocupa poco espacio
Simple
Desventajas:
Falta de confiabilidad
Falta de seguridad
Falta de flexibilidad, teniendo que suspender el servicio para
realizar mantenimiento
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Barra principal y barra de transferencia
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Barra principal y barra de transferencia
Para mejorar la confiabilidad por falla en interruptores de la
configuración de barra simple, a ésta se le agrega una barra de
transferencia, a cada sección un seccionador de transferencia para la
conexión a dicha barra y un interruptor para unir las barras.
Ventajas:
Económica
Mejor flexibilidad para el mantenimiento, que la configuración de
barra simple
Mejor confiabilidad, que la configuración de barra simple
Desventajas:
Mantiene las limitaciones de la configuración de barra simple
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Doble barra
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Doble barra
Para aumentar la flexibilidad a la barra sencilla se adiciona una
segunda barra principal y un interruptor para el acoplamiento de las
dos barras.
Ventajas:
Mejor flexibilidad para el mantenimiento, que las configuraciones
anteriores
Mejor confiabilidad, que las configuraciones anteriores
Desventajas:
Mayor costo que las configuraciones anteriores
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Anillo
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Anillo
En esta configuración la barra es una anillo conformado por
interruptores, con las secciones conectadas cada dos de ellos. Para
aislar una sección es necesaria la apertura de los dos interruptores
correspondientes, abriéndose así el anillo.
Ventajas:
Económica
Segura y confiable para permitir continuidad del servicio por falta
o mantenimiento
Desventajas
Durante una falta o mantenimiento el anillo queda dividido y se
pierde la seguridad en el sistema.
Se dificulta la implementación de los sistemas de protección
porque se debe trabajar con dos interruptores
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Interruptor y medio
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Interruptor y medio
Esta configuración debe su nombre al hecho de exigir tres
interruptores por cada dos secciones. El grupo de los tres interruptores
se le llama tramo y se conecta entre dos barras principales.
Ventajas:
Se puede hacer mantenimiento a cualquier interruptor sin
suspender el servicio.
Muy confiable, una falta en una barra no suspende el servicio.
Desventajas
Se dificulta la implementación de los sistemas de protección
porque se debe trabajar con dos interruptores y el interruptor
intermedio comparte dos secciones.
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