A.I: Introducción a los sistemas de protección

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1 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 1 / 48

2 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 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 2 / 48

3 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 3 / 48

4 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 4 / 48

5 Introducción Un sistema eléctrico de potencia está compuesto por: Generación Trasmisión Distribución Consumidores (Cargas) (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 5 / 48

6 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 Sistema eléctrico de potencia: Figure 2.1. Basic Structure of the Electric System 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 U.S.-Canada Power System Outage Task Force August 14th Blackout: Causes and Recommendations 5 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 6 / 48

7 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... (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 7 / 48

8 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 8 / 48

9 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 9 / 48

10 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 10 / 48

11 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 11 / 48

12 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 12 / 48

13 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 13 / 48

14 Combinaciones básicas de equipos y su efecto en la confiabilidad Ejemplo numérico: 2 equipos con disparos en serie Votación por mayoría, 2 de 3 equipos Nombre del Dependability 1-Security arreglo Probabilidad Probabilidad del disparo de disparo deseado no deseado Equipo solo E-03 2 equipos One-out-oftwo E-02 con disparos en paralelo Two-out-oftwo Two-out-ofthree E E-04 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 14 / 48

15 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 15 / 48

16 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 16 / 48

17 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 17 / 48

18 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 18 / 48

19 Zonas de protección típicas en un sistema de potencia Zona de protección: - Grupo Generador Transformador - Transformador - Barras - Línea - Barras - Línea (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 19 / 48

20 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 20 / 48

21 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 21 / 48

22 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 22 / 48

23 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 23 / 48

24 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 24 / 48

25 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 25 / 48

26 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). (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 26 / 48

27 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 27 / 48

28 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 28 / 48

29 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 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 29 / 48

30 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, SF 6. El espacio requerido es muy reducido y son utilizadas en las ciudades. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 30 / 48

31 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 31 / 48

32 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 32 / 48

33 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 33 / 48

34 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 34 / 48

35 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 35 / 48

36 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 36 / 48

37 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 37 / 48

38 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 38 / 48

39 Barra simple (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 39 / 48

40 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 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 40 / 48

41 Barra principal y barra de transferencia (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 41 / 48

42 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 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 42 / 48

43 Doble barra (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 43 / 48

44 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 la operación, que las configuraciones anteriores Mejor confiabilidad, que las configuraciones anteriores Desventajas: Mayor costo que las configuraciones anteriores Falta de flexibilidad, teniendo que suspender el servicio para realizar mantenimiento (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 44 / 48

45 Anillo (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 45 / 48

46 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 (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 46 / 48

47 Interruptor y medio (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 47 / 48

48 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. (IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 48 / 48