A.I: 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
IIE - Facultad de Ingenierı́a - UDELAR
1.
Introducción
Para poder entender la función de los sistemas de protección, se debe conocer la naturaleza y el modo de funcionamiento de los sistemas eléctricos de
potencia. El objetivo de un sistema eléctrico de potencia es generar, trasmitir y distribuir energı́a 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 varı́an 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 energı́a
de la manera más confiable, segura y económica.
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 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.
1.1.
Estructura del sistema eléctrico de potencia
Los sistemas eléctricos de potencia varı́an en tamaño y componentes, sin
embargo todos tienen las mismas caracterı́sticas:
- Sistema de potencia, ac, trifásico, que opera a una tensión y frecuencia
constante. Los equipamientos de generación y trasmisión son trifásicos.
Las cargas industriales son trifásicas, las cargas residenciales son esencialmente monofásicas y las cargas comerciales están distribuidas entre
las fases por lo cual el sistema de potencia se considera balanceado.
1
Is One Large, Interconnected
Machine
rence of a massive outage on a calm, warm day.
Widespread electrical outages, such as the one
that occurred on August 14, 2003, are rare, but
they can happen if multiple reliability safeguards
break down.
The North American electricity system is one of
the great engineering achievements of the past 100
Providing reliable electricity is an enormously
years. This electricity infrastructure represents
complex technical challenge, even on the most
more than $1 trillion (U.S.) in asset value, more
routine of days. It involves real-time assessment,
than 200,000 miles—or 320,000 kilometers (km)
control and coordination of electricity production
of transmission lines operating at 230,000 volts
at thousands of generators, moving2 electricity
A.I:
Introducción
Sistemas
de
Protección
and greater, 950,000 megawatts of generating
across an interconnected network of transmission
capability, and nearly 3,500 utility organizations
lines, and ultimately delivering the electricity to
serving well over 100 million customers and 283
millions of customers by means of a distribution
million
people.la generación de energı́a eléctrica se utilizan generalmente, gene- Para
network.
Modernradores
society has
come to depend on reliable
sincrónicos.
As shown in Figure 2.1, electricity is produced at
electricity as an essential resource for national
lower voltages (10,000 to 25,000 volts) at generasecurity;
health
and welfare;
communications;
fromdevarious
fuel distancias
sources, such
- Para
trasmistir
la energı́a
eléctrica a tors
través
grandes
seas nuclear,
finance; transportation; food and water supply;
coal,
oil, natural
gas, hydro
power, geothermal,
precisa
de
un
sistema
de
trasmisión
que
permita
trabajar
a
diferentes
heating, cooling, and lighting; computers and
photovoltaic, etc. Some generators are owned by
electronics;
commercial
enterprise; and even
niveles
de tensión.
the same electric utilities that serve the end-use
entertainment and leisure—in short, nearly all
customer; some are owned by independent power
aspects of modern life. Customers have grown to
producers
(IPPs);
andsubestaciones
others are owned by cusEl
sistema
de
distribución
transfiere
la
potencia
de las
expect that electricity will almost always be availtomers themselves—particularly large industrial
de trasmisión
los consumidores
able when
needed at theaflick
of a switch. Mostfinales.
customers.
customers have also experienced local outages
Electricity from generators is “stepped up” to
caused by a car hitting a power pole, a construcLa Figura 1 representa los elementos básicos
que conforman un sistema
higher voltages for transportation in bulk over
tion crew accidentally damaging a cable, or a
eléctrico de potencia moderno.
Figure 2.1. Basic Structure of the Electric System
! U.S.-Canada Power System Outage Task Force ! August 14th Blackout: Causes and Recommendations !
Figura 1: Sistema eléctrico de potencia
La energı́a eléctrica proveniente de los generadores es elevada a valores altos de tensión para trasmitirla por el sistema de potencia, a través de las
lı́neas de trasmisión. Cuando la energı́a llega a los centros de consumo es
reducida a valores de tensión para poder ser distribuidas a los consumidores.
En el proceso de explotación de los sistemas eléctricos de potencia ocurren
cambios en forma permanente que son compensados por los sistemas de
control. Pero además pueden aparecer defectos o faltas (perturbaciones) y
régimenes anormales de funcionamiento de los diferentes elementos del sistema, los cuales pueden conducir a averı́as, con las consecuentes alteraciones
al régimen normal de operación, como pueden ser interrupciones de servicio
a los consumidores, reducción de la calidad de la energı́a o daños en los
equipamientos.
El tipo más frecuente de defecto o falta es el cortocircuito, que genera grandes incrementos en la corriente y reducciones de la tensión en los elementos
del sistema, lo que puede dañar los equipos por sobrecalentamiento, afectar
la operación normal de los consumidores por la baja tensión y el sincronismo
5
A.I: Introducción Sistemas de Protección
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de los generadores. La respuesta del sistema de potencia a una perturbación
depende de la configuración del mismo y de la severidad de la misma.
Las perturbaciones más frecuentes son:
- Cortocircuitos
- Conductor abierto
- Sobrecarga
- Sobre o sub tensión . . .
2.
Función de los sistemas de protección
Muchas de las fallas en los sistemas eléctricos de potencia pueden ser controladas para limitar el daño y mantener la confiabilidad. El sistema de
potencia se diseña de manera que pueda soportar fallas mecánicas y problemas climáticos como hielo, nieve, huracanes y tornados. El diseño de la
aislación se realiza de manera de minimizar el daño a los equipos por fallas
eléctricas.
Debido a que es no económicamente posible diseñar un sistema eléctrico
de potencia para soportar todas las fallas posibles, la alternativa es diseñar
un sistema de protección que rápidamente detecte condiciones anormales de
funcionamiento y realizar las acciones correctivamos apropiadas.
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.
Por lo cual el rol del un sistema de protección en el diseño y operación de
un sistema eléctrico de potencia, se puede examinar teniendo en cuenta los
siguientes aspectos:
- 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.
3.
Caracterı́sticas de los sistemas de protección
Para poder cumplir con estos requerimientos, los sistemas de protección
deben tener la siguiente cualidad:
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4
Confiabilidad : Capacidad de un sistema o componente de realizar sus
funciones requeridas bajo condiciones establecidas por un perı́odo determinado de tiempo.
NOTA: 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.
3.1.
Confiabilidad
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 perı́odo de tiempo, cuando está siendo sometido
a exigencias dentro de sus lı́mites operacionales. 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. Todo esto durante un perı́odo de tiempo cuando
está siendo sometido a exigencias dentro de sus lı́mites operacionales.
Es la faceta de la confiabilidad que indica el grado en que la función,
equipo o sistema opera correctamente cuando deberı́a 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. Todo esto durante un perı́odo de
tiempo cuando está siendo sometido a exigencias dentro de sus lı́mites
operacionales.
Se trata tanto de:
- el disparo intempestivo (incorrecto) cuando no hay falta o defecto o
condición anormal
- el disparo incorrecto cuando sı́ 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 deberı́a operar.
La confiabilidad también incluye:
Velocidad: Operar rápidamente cuando deber hacerlo, para minimizar los
daños y aportar a la estabilidad.
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Una operación incorrecta (misoperation) puede deberse a:
- Disparo intempestivo (false trip) ante un defecto (∗) fuera de la zona
protegida
- Ausencia de disparo (failure to trip) ante un defecto (∗) en la zona
protegida
- Disparo intempestivo (maloperation) en ausencia de defecto (∗)
- Disparo incorrecto (incorrect operation) no intempestivo, por ej. en
tiempo mayor al previsto.
(*) defecto o condición anormal de funcionamiento en el sistema de potencia.
No confundir Defecto o Falta (Fault) con Falla (Fail).
- Defectos o Faltas son los cortocircuitos y fases abiertas en el sistema
eléctrico de potencia.
- Falla de un dispositivo es su pérdida de la posibilidad de cumplir la
función para la que fue diseñado. Por ej. por rotura o grave degradación
del dispositivo o alguna de sus partes.
3.1.1.
Combinaciones básicas de equipos y su efecto en la confiabilidad
Se indican en al tabla las probabilidades de disparo correcto (dependability)
e incorrecto (1 - Security).
Nombre del arreglo
Equipo solo
2 equipos con disparos en paralelo
2 equipos con disparos en serie
Votación por mayorı́a, 2 de 3 equipos
Dependability
1-Security
Probabilidad del
disparo deseado
One-out-of-two
p
2p − p2
Probabilidad
de disparo
deseado
Fs
2F s − F s2
Two-out-of-two
p2
F s2
Two-out-of-three
p2 (3 − 2p)
F s2 (3 − 2F s)
no
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Equipos con igual Dependability y Security y con fallas aleatorias (interdependencia=0).
3.1.2.
Ejemplo numérico:
Nombre del arreglo
Equipo solo
2 equipos con disparos en paralelo
2 equipos con disparos en serie
Votación por mayorı́a, 2 de 3 equipos
Dependability
1-Security
Probabilidad del
disparo deseado
One-out-of-two
0.940
0.996
Probabilidad
de disparo
deseado
8.00E-03
1.59E-02
Two-out-of-two
0.884
6.40E-05
Two-out-of-three
0.990
1.91E-04
- En rojo las situaciones que empeoran respecto a tener un solo equipo.
En verde las situaciones que mejoran.
- Nótese que la votación 2 de 3 mejora Dependability y Security, mientras que 2 equipos en serie o paralelo mejoran uno de los dos aspectos
pero empeora el otro.
3.2.
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 tecnologı́as anteriores que no tenı́an posibilidad de autodiagnóstico o que su autodiagnóstico era limitado a algunas partes del
hardware o software, podı́an estar indisponibles sin que se supiera.
La detección de dichas fallas ocultas se producirı́a entonces recién cuando:
- Se ensaya el relé como parte de rutinas periódicas de mantenimiento
detectivo o búsqueda de fallas.
no
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- Peor aún cuando hay una falta en el equipo protegido y la protección
no dispara o lo hace de manera no predeterminada.
El autodiagnóstico adelanta la detección de la falla al momento en que se
produce, si dicha condición genera una alarma.
Generalmente en las protecciones para avisar su falla se utiliza un contacto
NC (normalmente cerrado) de un relé de salida.
NC se refiere a que estando ese relé auxiliar de salida des-excitado, el contacto está cerrado.
En condiciones normales (protección operativa) el contacto NC está abierto
(relé auxiliar de salida excitado) y se cierra en caso de indisponibilidad (relé
auxiliar des-excitado).
Un caso extremo es cuando la protección no está alimentada o hay una falla
en su fuente de alimentación, en cuyo caso dicho contacto está cerrado.
En la disponibilidad de una protección interviene tanto:
- la tasa de fallas del equipo (o el MTBF), como
- el tiempo que se tarda en repararlo o sustituirlo (dejarlo nuevamente
operativo, devolver su funcionalidad).
Tasa de fallas (failure rate) y MTBF (Mean Time Between Failure) : La tasa de falla a veces se considera como la probabilidad de que se
produzca una falla en un intervalo especificado.
La tasa de falla λ(t) tiene como unidades el número de fallas por unidad de
tiempo, o sea es la frecuencia de falla. No es una probabilidad y puede tener
valores mayores que 1.
M ean time between f ailures = M T BF =
λ=
1
M T BF
P
(downtime−uptime)
number of f ailures
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Figura 2: Tiempo entre fallas
MTBF (Mean Time Between Failure) : MTBF para relés numéricos
modernos puede ser de 200 o 300 años.
Erróneamente puede suponerse que MTBF es la vida promedio de un relé
(o sea que durante ese lapso hay un 50 % de probabilidad de que falle y 50 %
de que no), aunque no es realmente ası́ pues depende de cuál es la función
de distribución de fallas.
Es cierto para algunas distribuciones simétricas, pero no para la distribución
exponencial (λ = cte) en que la confiabilidad transcurrido el MTBF es 37 %.
Para distribuciones tı́picas con cierta varianza, MTBF sólo representa una
cota superior estadı́stica, y por lo tanto, no es adecuado para la predicción
del tiempo especı́fico a la falla de un equipo dado; la incertidumbre deriva
de la variabilidad en la distribución del tiempo a la falla.
4.
4.1.
Zonas de protección
Introducción
Para limitar la extensión del sistema de potencia a ser desconectado cuando
ocurre una falta, las protecciones están dispuestas en zonas de protecciones.
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.
Para poder cubrir todos los equipos de potencia por los sistemas de protección, las zonas de protección deben cumplir con los siguientes requerimientos:
A.I: Introducción Sistemas de Protección
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- 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.
Zona de protección:
- Grupo Generador – Transformador
- Transformador
- Barras
- Línea
- Barras
- Línea
Figura 3: Zonas de protección
Por razones prácticas o económicas, la disposición de los transformadores de
corriente no es siempre como se muestra en la figura, y solo están disponible
en uno de los lados de los interruptores.
4.2.
Protecciones 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.
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
A.I: Introducción Sistemas de Protección
10
interruptor al abrir o interrumpir la corriente cuando recibe una señal de
disparo.
4.2.1.
Protección de respaldo
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 mı́nima 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.
4.2.2.
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.
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 lı́neas 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 lı́neas que alimentan las estaciones ha crecido, la corriente
de falta por cada lı́nea 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
A.I: Introducción Sistemas de Protección
4.2.3.
11
Respaldo local
El respaldo local está ubicado en la misma estación. Se basa en la filosofı́a
que todas las fallas del sistema de protección principal deberı́an 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.
4.2.4.
Sistemas de protección redundantes
Los sistemas de protección redundantes también son llamados sistemas funcionalmente equivalentes.
- Es común en partes crı́ticas 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).
- Esta práctica es diferente a tener un sistema principal y otro de respaldo local.
- 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).
- La redundancia tiene como principal ventaja aumentar la Disponibilidad de las funciones de protección y por ende del equipo protegido;
puede fallar un sistema de protección que el equipo continúa protegido
completamente; es poco creı́ble que ambos sistemas fallen simultáneamente.
Falla en modo común (common mode failure) : Es la falla atribuible
a una causa común. Ejemplo: 2 sistemas de protección protegen una lı́nea
y comparten la misma bobina de apertura del interruptor de lı́nea. Si la
bobina del interruptor está cortada, ante un defecto en la lı́nea la rotura
de dicha bobina producirá la falla en modo común de ambos sistemas de
protección.
4.2.5.
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
A.I: Introducción Sistemas de Protección
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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.
Para lograr una interdependencia baja es común que ambos sistemas de protección:
- tengan distintas baterı́as 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.
¿Y acerca de los propios relés de protección de ambos sistemas?
Respecto a los relés de sistemas de protección redundantes, se disminuye
el grado de interdependencia (aumenta la Dependabilidad) si se utiliza una
Opción más alta de la siguiente tabla:
Hoja1
Opción
Ajustes
Modelo
Fabricante
1
2
3
4
5
IGUALES
DIFERENTE
DIFERENTE
DIFERENTE
DIFERENTE
IGUAL
IGUAL
DIFERENTE
DIFERENTE
DIFERENTE
IGUAL
IGUAL
IGUAL
DIFERENTE
DIFERENTE
Principio de
funcionamiento
IGUAL
IGUAL
IGUAL
IGUAL
DIFERENTE
Figura 4: Interdependencia
Pero además de la Dependabilidad deben considerarse otros factores, como:
- Fallas en modo común de hardware, software (firmware) o principio,
- Balance entre Dependabilidad y Seguridad
- Experiencia
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13
- Normativas y reglamentos,
- Todo el ciclo de vida de los sistemas: normalización y estandarización,
implementación, explotación (operación y mantenimiento),
- Factores humanos como la comprensión y trabajo en distintos equipos
o sistemas.
- . . . etc.
Por ej. cuanto más diferentes son ambas protecciones (Opción más alta)
aumenta la dependabilidad, pero también aumenta:
- la complejidad para el conocimiento de la instalación,
- el tiempo de estudio para conocer los dispositivos a lo largo de todo el
ciclo de vida (proyecto, cálculo e implementación de ajustes, ensayos
de obra, operación, mantenimiento, etc.).
Además contar con relés multifunción en que se implementan en el mismo
dispositivo varias funciones con diversos principios que se ”solapan”, de por
si aumenta la Dependabilidad propia de cada relé.
Todo esto muestra que incluso puede ser una muy buena alternativa utilizar
la Opción 1 (sistemas idénticos). Hay experiencias positivas a nivel nacional
e internacional.
Por ej. en Uruguay se ha optado por o aceptado sistemas idénticos o casi
idénticos en lı́neas de 500 kV, generadores de 50 MW, tanto históricamente
como recientemente.
5.
5.1.
Diseño de subestaciones
Introducción
Definición de subestación : Una subestación eléctrica es un área o grupo
de equipamientos que contiene seccionadores, interruptores, barras y transformadores para cambiar la configuración de sistema de potencia y transformar la tensión de un nivel a otro o un sistema en otro (ac/dc).
5.2.
Diseño de las subestaciones:
Subestaciones aéreas: Instaladas en locales abiertos. Requieren de equipamiento diseñado para operar en condiciones ambientales adversas.
A.I: Introducción Sistemas de Protección
14
Subestaciones interiores: Instaladas en locales cerrados. El equipamiento eléctrico está protegido frente a los agentes atmosféricos, las distancias son menores y son más caras.
Subestaciones blindadas: Las subestaciones aisladas en gas utilizan este
fluido para el aislamiento eléctrico de sus diferentes componentes (maniobra, medición, barras, etc) de alta tensión. Este tipo de subestación
se denominan GIS (Gas Insulated Switchgear). Por sus propiedades
óptimas, el gas utilizado es el hexafloruro de azufre (SF6 ). Algunas de
las principales caracterı́sticas de este gas son: que no es tóxico, muy
estable y no inflamable. Existen diferencias con las subestaciones clásicas aisladas en aire. La más importante a favor de las GIS es que en
estas, las dimensiones son reducidas.
Figura 5: Subestación GIS
Ventajas:
- Espacio reduzido, pueden llegar a ocupar un 10 % del espacio ocupado
por una subestación convencional.
- El mantenimiento es menor que el mantenimiento de una subestación
convencional.
- Disponibles para niveles de tensión de hasta 500kV.
Desventajas:
- Necesita de personal especializado
- Las operaciones de cierre no pueden ser observadas (son supervisadas
por indicadores luminosos)
A.I: Introducción Sistemas de Protección
5.2.1.
15
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 caracterı́sticas 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
varı́a de acuerdo con las condiciones de funcionamiento del sistema
eléctrico.
5.3.
Equipamiento de las subestaciones
La estructura básica de una subestación contiene los siguientes equipamientos:
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: Seccionadores e Interruptores: 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. Algunos de estos equipamientos pueden ser operados en forma automática, tanto de forma
local como remota, mientras que otros solo pueden ser operados en
forma manual. Los interruptores son el único elemento activo en una
subestación, lo cual significa que son los equipos menos confiables y
están más sujetos a fallas, debido a la existencia de partes móviles.
Transformadores de medida: Corriente y Tensión: 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 del resto del sistema de potencia. 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.
Compensación de potencia reactiva: Para compensar la reactiva en el
sistema de potencia, se debe utilizar grandes cantidad de potencia reac-
A.I: Introducción Sistemas de Protección
16
tiva inductiva o capacitiva. El equipamiento tı́pico 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.
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.
. . . etc.
5.4.
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 energı́a a subestaciones de transformación.
Subestaciones de transformación: subestaciones cuyo objetivo es el de
suministra energı́a 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 serı́a una subestación
reductora, de distribución o carga.
5.5.
Configuraciones tı́picas de las subestaciones
Los equipamientos y las barras de una subestación están dispuestas y conectados de una manera especı́fica 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.
En el diseño e implementación de los sistemas de protección es importante
A.I: Introducción Sistemas de Protección
17
considerar la configuración de la subestación.
5.5.1.
Barra Simple
Figura 6: Configuración: 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
A.I: Introducción Sistemas de Protección
5.5.2.
18
Barra principal y barra de transferencia
Figura 7: Configuración: 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
A.I: Introducción Sistemas de Protección
5.5.3.
19
Doble barra
Figura 8: Configuración: 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
A.I: Introducción Sistemas de Protección
5.5.4.
20
Anillo
Figura 9: Configuración: 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
ası́ 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
A.I: Introducción Sistemas de Protección
5.5.5.
21
Interruptor y medio
Figura 10: Configuración: 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.
6.
6.1.
Anexo
Terminologı́a
Disparar :
Cambiar el estado de la(s) salida(s) de una protección, salida(s)
destinada(s) a abrir interruptor(es) y des-energizar la falta o eliminar la condición anormal de funcionamiento en el equipo protegido.
En la actualidad, normalmente es el cierre de uno (o varios) contacto(s) para energizar bobina(s) de apertura de interruptor(es).
A.I: Introducción Sistemas de Protección
22
Operar :
Culminación de la secuencia esperada de una protección o sistema
de protección, de:
1 Arrancar (detectar un defecto o condición anormal)
2 Procesar las entradas analógicas y digitales de acuerdo a los principios, algoritmos, lógicas, criterios y temporizaciones preestablecidos
3 Disparar
Nótese que Disparar y Operar no es lo mismo.
Nótese que la palabra ”Actuar” no es sinónimo ni de Arrancar, ni de
Disparar ni de Operar. Es un término ambiguo que puede llevar a confusiones si se lo utiliza para comunicar a terceros información sobre
sucesos que involucran protecciones.
Pick-up :
En relés electromecánicos de disco de inducción Pick-up no coincide con Arranque.
En relés numéricos Pick-up generalmente es sinónimo de Arranque o Arrancar, e incluso también en tecnologı́as anteriores como
relés electrónicos.
Pick-up :
Salida del estado de reposo. Por ej. en un relé electromecánico de
sobrecorriente, mı́nima magnitud que hace desplazar al disco de
inducción de su situación de reposo.
Dicho valor de corriente no hará que el disco cumpla todo su
recorrido y que el contacto de disparo se cierre; el disco necesariamente se frena antes.
Arranque :
Por ej. en un relé electromecánico de sobrecorriente, mı́nima magnitud que hace que el disco de inducción llegue cumplir todo su
recorrido y que el contacto de disparo se cierre.
Falla y Falta :
Defectos o Faltas son los cortocircuitos y fases abiertas en el sistema eléctrico de potencia.
Falla de un dispositivo es su pérdida de la posibilidad de cumplir
la función para la que fue diseñado. Por ej. por rotura o degradación del dispositivo o alguna de sus partes.
A.I: Introducción Sistemas de Protección
7.
Bibliografı́a
- Subestaciones de alta y extra alta tensión, Carlos Felipe Ramirez.
- Network Protection & Automation Guide, Alstom
- Protective Relaying Theory and Applications, Walter Elmore
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