Filosofía de protecciones

Protecció
Protección de sistemas de
distribució
distribución
Por: Ing. César Chilet
1. Filosofía de la protección
1
La potencia de la naturaleza
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3
la fuerza de los elementos
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4
2
así como la captura de la energía
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5
el control y la protección son necesarios
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6
3
Desde la generación
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7
La transmisión
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8
4
La distribución
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9
Para Ud.
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10
5
Protección de sistemas eléctricos
de distribución
Protección con relés y fusibles
Energía bajo control
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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.
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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).
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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.
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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.
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8
Sistema eléctrico de potencia (5)
• Estados de operación :
– Estado Normal, de Alerta, de Emergencia y
de Restablecimiento.
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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.
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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.
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Sistema eléctrico de potencia (8)
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Sistemas de automatización en SEP
Regulació
Regulación de pará
parámetros del SEP en ré
régimen normal de
operació
operación
• Regulación automática de frecuencia,
• Regulación del flujo en líneas de transmisión,
• Regulación de voltaje y potencia reactiva,
• Sincronización automática de generadores, etc.
Automatizació
Automatización de los regí
regímenes de averí
avería
• Protección,
• Recierre automático,
• Conexión automática de la alimentación de reserva,
• Corte de carga (frecuencia/voltaje),
• Sistemas especiales de automatización, etc.
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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.
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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.
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Dispositivos de protección
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Dispositivos de protección
•
•
•
•
•
Fusibles,
Restauradores automáticos,
Seccionalizadores,
Interruptores de bajo voltaje,
Relevadores (IEEE 100)
–
–
–
–
Protección,
Regulación,
Recierre y verificación de sincronismo,
Monitoreo.
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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.
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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.
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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
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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.
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Esquema de protección
(según su alcance)
Alcance definido
• Equipos que
detectan
perturbaciones ante
las cuales son
suficientemente
sensibles dentro de
una zona
físicamente
delimitada de la red.
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Esquema de protección
(según su alcance)
Alcance indefinido.
• Son equipos cuyo alcance es función de sus
ajustes pero su límite no esta asociado a
ningún punto físico de la red
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Diagrama multifilar de un esquema de
protección
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Circuito de disparo DC
+
RELÉ
INTERRUPTOR
-
Contactos
del relé
52
TC
51
52a
51
Estación de baterías DC
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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.
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Zona de protección (1)
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Zona de protección (2)
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Zona de protección (3)
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Zona de protección (4)
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Zona de protección (5)
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41
Zona de protección (6)
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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.
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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.
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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.
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Zona de protección (10)
• Interruptor de tanque
muerto, dos TC’s
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Zona de protección (11)
• Interruptor de tanque
vivo, un TC.
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Aplicación de la protección
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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
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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).
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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.
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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.
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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
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Redundancia total
• 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
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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.
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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.
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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.
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Protecciones de respaldo (3)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Capacidad de Registro
• Es la capacidad de almacenar información
relativa a la falla con la finalidad de
proporcionar datos de las fallas.
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Protección de sistemas eléctricos de potencia
Relés de protección
confiabilidad
simplicidad
adaptabilidad
rapidez
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