Protección de sistemas de distribución

Protección de sistemas de distribución Por: Ing. César C Chilet 1. Filosofía de la protección 1

La potencia de la naturaleza cchilet@tecsup.edu.pe 3 la fuerza de los elementos cchilet@tecsup.edu.pe 4 2

así como la captura de la energía cchilet@tecsup.edu.pe 5 el control y la protección son necesarios cchilet@tecsup.edu.pe 6 3

Desde la generación cchilet@tecsup.edu.pe 7 La transmisión cchilet@tecsup.edu.pe 8 4

La distribución cchilet@tecsup.edu.pe 9 Para Ud. cchilet@tecsup.edu.pe 10 5

Protección de sistemas eléctricos de distribución Protección con relés y fusibles Energía bajo control cchilet@tecsup.edu.pe 11 El sistema de potencia y su sistema de protección 6

Sistema eléctrico de potencia (1) Tiene por finalidad garantizar el suministro regular de energía eléctrica dentro de su área de aplicación, para lo cual debe operar garantizando el abastecimiento al mínimo costo y con el mejor aprovechamiento de los recursos energéticos; pero, al mismo tiempo, debe cumplir con los niveles de calidad establecidos en la norma técnica correspondiente. cchilet@tecsup.edu.pe 13 Sistema eléctrico de potencia (2) Constituido por diversas instalaciones que deben ser interconectadas. Se distingue los siguientes componentes: Generación (Centrales Eléctricas y las instalaciones de conexión al Sistema de Transmisión); Transmisión (LT y SE (incluyendo los equipos de compensación reactiva); y Distribución (Líneas, SE de subtransmisión y Redes de Distribución). cchilet@tecsup.edu.pe 14 7

Sistema eléctrico de potencia (3) Debe atender la demanda de potencia eléctrica, la cual debe ser permanentemente equilibrada por la generación (oferta). Esta situación de equilibrio corresponde a la operación de régimen permanente; sin embargo, se pueden producir perturbaciones cuando se altera el equilibrio de potencia activa o de potencia reactiva en el sistema, lo cual determinará cambios que lo llevan a una nueva situación de régimen permanente. cchilet@tecsup.edu.pe 15 Sistema eléctrico de potencia (4) Puede también ser sometido a ciertas solicitaciones, las cuales se presentan como eventos transitorios que ocasionan perturbaciones importantes (sobretensiones y/o sobrecorrientes), que pueden producir oscilaciones de las máquinas, las cuales deben amortiguarse; caso contrario, serán peligrosas para su funcionamiento, afectando su estabilidad y provocando la desconexión de las mismas. cchilet@tecsup.edu.pe 16 8

Sistema eléctrico de potencia (5) Estados de operación : Estado Normal, de Alerta, de Emergencia y de Restablecimiento. cchilet@tecsup.edu.pe 17 Sistema eléctrico de potencia (6) En consecuencia, el SEP debe estar diseñado para atender la demanda de potencia; pero, también debe estar dotado de los recursos necesarios para prevenir la aparición de fenómenos; y si ocurren, para controlarlos de manera de que el sistema pueda restablecerse prontamente y no colapse. cchilet@tecsup.edu.pe 18 9

Sistema eléctrico de potencia (7) Los recursos que requiere el Sistema de Potencia para operar con seguridad, calidad y economía son: Sistema de Supervisión y Control (SCADA). Sistema de Protección. Sistemas de Registro de Perturbaciones. Sistema de Medición de Energía. Sistema de Telecomunicaciones. cchilet@tecsup.edu.pe 19 Sistema eléctrico de potencia (8) cchilet@tecsup.edu.pe 20 10

Sistemas de automatización en SEP Regulación n de parámetros del SEP en régimen r normal de operación Regulación automática de frecuencia, Regulación del flujo en líneas de transmisión, Regulación de voltaje y potencia reactiva, Sincronización automática de generadores, etc. Automatización n de los regímenes de avería Protección, Recierre automático, Conexión automática de la alimentación de reserva, Corte de carga (frecuencia/voltaje), Sistemas especiales de automatización, etc. cchilet@tecsup.edu.pe 21 Sistema de protección (1) Es el sistema de supervisión del sistema eléctrico que permite detectar: Las fallas en los equipos y/o instalaciones del sistema, Las condiciones anormales de operación del sistema y estado inapropiado de los equipos con la finalidad de tomar las acciones correctivas de manera inmediata. cchilet@tecsup.edu.pe 22 11

Sistema de protección (2) 1. Aislar las fallas tan pronto como sea posible para minimizar sus efectos. 2. Alertar sobre las condiciones anormales de operación del sistema con la finalidad de tomar las acciones preventivas que permitan evitar desconexiones. De acuerdo a la gravedad de la situación efectuar operaciones automáticas de conexiones y/o desconexiones pertinentes. 3. Alertar sobre el estado inapropiado de los equipos. cchilet@tecsup.edu.pe 23 Dispositivos de protección 12

Dispositivos de protección Fusibles, Restauradores automáticos, Seccionalizadores, Interruptores de bajo voltaje, Relevadores (IEEE 100) Protección, Regulación, Recierre y verificación de sincronismo, Monitoreo. cchilet@tecsup.edu.pe 25 Relé de protección Dispositivo que recibe una o mas informaciones de carácter analógico (intensidad de corriente, tensión, temperatura, presión, etc.) y transmite una orden binaria (cierre o apertura de un circuito de comando), esto cuando las informaciones recibidas alcanzan valores superiores o inferiores a ciertos límites establecidos de antemano. cchilet@tecsup.edu.pe 26 13

Principios de detección de fallas Sobrecorriente, Corriente diferencial, Ángulos de fase de las corrientes, Sobre y bajo voltaje, Dirección del flujo de potencia, Componentes simétricas del voltaje y la corriente, Impedancia, Frecuencia, Armónicas, Componentes de alta frecuencia, Otros. cchilet@tecsup.edu.pe 27 Esquema de protección 14

Esquema de protección Arreglo completo de dispositivos de protección y equipos asociados para lograr una función específica de protección, en base a un principio de operación y diseñado para un objetivo dado. Canal de comunicaciones cchilet@tecsup.edu.pe 29 Esquema de protección Los relés son parte de un equipo El relé(s) Los sensores PTs CTs Etc. El disyuntor Fuente de alimentación DC (Baterías) La interconexión. cchilet@tecsup.edu.pe 30 15

Alcance definido Esquema de protección Equipos que detectan perturbaciones ante las cuales son suficientemente sensibles dentro de una zona físicamente delimitada de la red. (según n su alcance) cchilet@tecsup.edu.pe 31 Alcance indefinido. Esquema de protección (según n su alcance) Son equipos cuyo alcance es función de sus ajustes pero su límite no esta asociado a ningún punto físico de la red cchilet@tecsup.edu.pe 32 16

Diagrama multifilar de un esquema de protección cchilet@tecsup.edu.pe 33 Circuito de disparo DC + - RELÉ INTERRUPTOR 51 Contactos del relé 52a 52 TC 51 Estación de baterías DC cchilet@tecsup.edu.pe 34 17

Zona de protección Filosofía de la protección Arte y ciencia. La protección del SEP está dividido en zonas. Idealmente ninguna parte del sistema deberá estar sin protección. cchilet@tecsup.edu.pe 36 18

Zona de protección (1) cchilet@tecsup.edu.pe 37 Zona de protección (2) cchilet@tecsup.edu.pe 38 19

Zona de protección (7) Parte del sistema de potencia que es desconectado cuando ocurre una falla dentro de ella. En los límites de éstas zonas se instalan CB, TC s y TP s. La delimitación de las zonas es determinada por la ubicación de los TC s que miden las corrientes que entran o salen a la zona de protección. cchilet@tecsup.edu.pe 43 Zona de protección (8) Cada disyuntor está incluido en dos zonas de protección vecinas. Los disyuntores ayudan a definir los límites de la zona de protección. Aspecto importante: las zonas vecinas se sobreponen. Esta superposición garantiza que ninguna parte del sistema quede sin proteger. cchilet@tecsup.edu.pe 44 22

Zona de protección (9) Problema: si ocurre una falla dentro de la zona de superposición mayor porción será aislada. La región de superposición es hecha lo menor posible. cchilet@tecsup.edu.pe 45 Zona de protección (10) Interruptor de tanque muerto, dos TC s cchilet@tecsup.edu.pe 46 23

Zona de protección (11) Interruptor de tanque vivo, un TC. cchilet@tecsup.edu.pe 47 Aplicación de la protección 24

Desarrollo El Sistema de Protección debe ser concebido para atender la posibilidad de una contingencia doble, ( falla en el SEP, + falla del Sistema de Protección). Por tal motivo, se establece las siguientes instancias: 1. Protecciones Preventivas 2. Protecciones Incorporadas en los Equipos 3. Protecciones Principales 4. Protecciones de Respaldo cchilet@tecsup.edu.pe 49 Protección preventiva Empleo de dispositivos capaces de dar señales de alarma antes de que suceda una falla. La técnica digital, utiliza equipos con capacidad de efectuar un monitoreo de los parámetros de las máquinas con la finalidad de dar las alarmas correspondientes; y más aún, de efectuar una supervisión de los parámetros. Estos dispositivos suelen aplicarse en forma individual o como parte de un Sistema de Control (SCADA). cchilet@tecsup.edu.pe 50 25

Protecciones incorporados en los equipos Son dispositivos incorporados en los mismos equipos, de manera que se pueda supervisar sus condiciones de operación como son: temperaturas, presiones, niveles, etc. Estas protecciones suelen ser definidas por los fabricantes de los equipos, según su diseño y experiencia, con la finalidad de dar las garantías por los suministros. cchilet@tecsup.edu.pe 51 Protección principal Constituye la primera línea de defensa del Sistema de Protección y deben tener una actuación lo más rápida posible (instantánea). En algunas ocasiones, el sistema de protección tiene dos protecciones redundantes que se denominan Protección Principal y Secundaria. La actuación de ambas (Principal y Secundaria) es simultánea y no es necesaria ninguna coordinación. cchilet@tecsup.edu.pe 52 26

Redundancia La redundancia de una protección puede ser total o parcial. En el primer caso se requiere que se tenga una duplicación de todos los componentes cchilet@tecsup.edu.pe 53 Dos relés de protección. Dos bobinas de mando de los interruptores. Dos juegos de TP s. Dos juegos de TC s. Dos enlaces de comunicación entre los relés de distintas estaciones Dos fuentes de alimentación de los circuitos de protección Dos juegos de cables de control Redundancia total cchilet@tecsup.edu.pe 54 27

Redundancia parcial Sin embargo, a veces no es muy práctico duplicar todos los componentes, por lo que debe ser efectuada en los elementos esenciales. Por ejemplo: se puede tener un solo juego de TC, pero se emplea dos secundarios diferentes; y si sólo se emplea un secundario de los TP, en este caso se puede hacer una duplicación parcial segregando los circuitos en la salida de los TP. cchilet@tecsup.edu.pe 55 Protecciones de respaldo (1) Constituyen la segunda instancia de actuación de la protección y deberán tener un retraso en el tiempo, de manera de permitir la actuación de la protección principal y/o secundaria en primera instancia. Este comportamiento implica efectuar una Coordinación de las Protecciones a fin de obtener un mejor desempeño del Sistema de Protección. cchilet@tecsup.edu.pe 56 28

Protecciones de respaldo (2) No se debe confundir a la Protección Secundaria con la Protección de Respaldo. La Protección Secundaria debe diseñarse para actuar en primera instancia y no necesita esperar a la Protección Principal. La Protección Secundaria no reemplaza a la Protección de Respaldo; sin embargo, en el caso de las centrales eléctricas hace el papel de respaldo por el hecho de ser otro dispositivo independiente. cchilet@tecsup.edu.pe 57 Protecciones de respaldo (3) cchilet@tecsup.edu.pe 58 29

Operación de los sistemas de protección Operación de los sistemas de protección Tal como ha sido mencionado, la actuación de la protección consiste en efectuar la apertura de los interruptores para aislar la zona donde se ha producido la falla; sin embargo, para cumplir con su cometido, los Sistemas de Protección operan, a veces, de otra manera, la cual puede tener distintas instancias o procedimientos, lo que debe ser aplicado de acuerdo a la buena práctica de ingeniería. cchilet@tecsup.edu.pe 60 30

a) Relés de Protección como parte de automatismos de regulación Una práctica utilizada en el diseño de los Sistemas de Protección consiste en utilizar los relés como parte de automatismos de regulación. Por ejemplo, para arrancar los ventiladores de un transformador de potencia al detectar elevación de temperatura. Otro caso: cuando se utiliza al relé para controlar la tensión; por ejemplo, para accionar el conmutador bajo carga de un transformador de potencia. cchilet@tecsup.edu.pe 61 b) Niveles de actuación de los Relés de Protección En el diseño de los Sistemas de Protección se puede aplicar niveles de actuación de los relés de protección. De esta manera se puede establecer por lo menos dos niveles básicos que son: 1. Alarma. 2. Disparo. cchilet@tecsup.edu.pe 62 31

c) Recierre Automático Lo más frecuente en el SEP son las fallas en las LT, que suelen ser de naturaleza temporal, una vez que se ha recuperado el aislamiento de la zona fallada, y transcurrido un lapso prudencial, es posible volver a energizar la instalación porque la falla ha desaparecido. Por tal motivo, es práctica frecuente, en la protección de las LT, efectuar un recierre automático. Estos recierres pueden ser unipolares y/o tripolares. cchilet@tecsup.edu.pe 63 d) Apertura y Bloqueo Ante una falla en una parte de la instalación donde el aislamiento no es regenerativo se efectúa la apertura de los interruptores para aislar la zona protegida; además, se hace un bloqueo del cierre para permitir la revisión del estado del equipo y la verificación de que el aislamiento está en condiciones de ser nuevamente energizado. El procedimiento de disparo y bloqueo se utiliza en los casos de transformadores, reactores, capacitores, barras e interruptores. cchilet@tecsup.edu.pe 64 32

Requerimientos del sistema de protección Características Un Sistema de Protección (SP) debe tener varias características de comportamiento para que pueda asegurar el cabal cumplimiento de sus funciones. Las principales son: Sensibilidad Selectividad Velocidad Fiabilidad ( dependability ) Seguridad Capacidad de Registro cchilet@tecsup.edu.pe 66 33

Sensibilidad Es la capacidad de detectar una falla por muy pequeña o incipiente que sea. La mayor sensibilidad viene a ser la capacidad para diferenciar una situación de falla con una situación de no existencia de falla. cchilet@tecsup.edu.pe 67 Selectividad Es la capacidad de detectar una falla dentro de la zona de protección. La mayor selectividad viene a ser la capacidad de descartar una falla cercana a la zona de protección. cchilet@tecsup.edu.pe 68 34

Velocidad Es la capacidad de respuesta con el mínimo tiempo. La necesidad de tener una rápida respuesta está relacionada con la minimización de los daños por causa de la falla. cchilet@tecsup.edu.pe 69 Fiabilidad ( dependability ) Es la capacidad de actuar correctamente cuando sea necesario, aún cuando en condiciones de falla se produzcan tensiones y corrientes transitorias que puedan perjudicar la capacidad de detección de la falla. cchilet@tecsup.edu.pe 70 35

Seguridad Es la capacidad de no actuar cuando no es necesario, aún cuando en condiciones de falla se produzcan tensiones y corrientes transitorias, las cuales puedan ocasionar errores en la discriminación de la falla dentro de la zona de protección. cchilet@tecsup.edu.pe 71 Fiabilidad y seguridad La certeza de la operación en respuesta ante algún problema en el sistema. La capacidad del sistema para evitar falsa operación con o sin fallas. cchilet@tecsup.edu.pe 72 36

Capacidad de Registro Es la capacidad de almacenar información relativa a la falla con la finalidad de proporcionar datos de las fallas. cchilet@tecsup.edu.pe 73 Protección de sistemas eléctricos de potencia Relés de protección confiabilidad simplicidad adaptabilidad rapidez 37