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 3 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: A.I: Introducción Sistemas de Protección 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. A.I: Introducción Sistemas de Protección 5 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 A.I: Introducción Sistemas de Protección 6 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 A.I: Introducción Sistemas de Protección 7 - 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 A.I: Introducción Sistemas de Protección 8 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 9 - 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 12 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 A.I: Introducción Sistemas de Protección 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 23