proteccion en subestaciones 115kv
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Proteccion de siste,as de 1115kV por medio de relays y alarmasTRANSCRIPT
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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA
MECNICA Y ELCTRICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERA ELCTRICA
PROTECCIONES ELCTRICAS EN SUBESTACIN SAN FRANCISCO 85-23kV/30 MVA
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN
ARROYO CASTILLO JESS EDUARDO
GUADARRAMA RENDN EDGAR
ASESORES:
ING. WILFRIDO SNCHEZ GARCA
ING. RAIBEL UREA OLIVARES
DR. DAVID SEBASTIAN BALTAZAR
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EL ARTE Y LA CIENCIA
La belleza de las protecciones radica en conjugar ambas partes.
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NDICE
CAPTULO 1 INTRODUCCIN ............................................................................. 1
1.1 Introduccin .............................................................................................................................. 1
1.2 Objetivos especficos ................................................................................................................. 3
1.3 Justificacin ............................................................................................................................... 4
1.4 Alcances y limitaciones ............................................................................................................. 5
CAPTULO 2 CORTOCIRCUITO ............................................................................ 6
2.1Introduccin ............................................................................................................................... 6
2.2 Definicin de cortocircuito. ....................................................................................................... 7
2.2.1 Origen y consecuencia del cortocircuito. ........................................................................... 7
2.2.2 Corrientes de cortocircuito simtrica y asimtrica. ........................................................... 9
2.2.3 Efectos dinmicos de la corriente de cortocircuito ......................................................... 11
2.2.4 Efectos trmicos de la corriente de cortocircuito. .......................................................... 11
2.3. Tipos de cortocircuito............................................................................................................. 11
2.3.1. Cortocircuito monofsico. ............................................................................................... 12
2.3.2. Cortocircuito bifsico. ..................................................................................................... 12
2.3.3 Cortocircuito trifsico. ...................................................................................................... 13
2.4 Fuentes de aportacin a la corriente de cortocircuito............................................................ 13
2.4.1 Generadores ..................................................................................................................... 14
2.4.2 Motores sncronos ........................................................................................................... 14
2.4.3 Motores de induccin ...................................................................................................... 14
2.5 Mtodo de las componentes Simtricas. ................................................................................ 15
2.6 Mtodos de clculo de cortocircuito. ..................................................................................... 18
2.6.1 Mtodo Zbus y Ybus. ........................................................................................................ 18
2.6.2. Mtodo de las impedancias. ........................................................................................... 20
2.6.3. Mtodo convencional. .................................................................................................... 21
2.6.4. Mtodo por norma IEC 60909. ........................................................................................ 21
CAPTULO 3 FILOSOFA DE PROTECCIN POR RELEVADORES ................. 22
3.1. Introduccin ........................................................................................................................... 22
3.2 Criterios de diseo para la proteccin por relevadores. ......................................................... 23
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3.2.1 Simplicidad ....................................................................................................................... 23
3.2.2 Selectividad ...................................................................................................................... 23
3.2.3 Economa .......................................................................................................................... 24
3.2.4 Confiabilidad .................................................................................................................... 24
3.2.5 Velocidad .......................................................................................................................... 25
3.3 Protecciones de transformador y alimentadores. .................................................................. 26
3.3.1 Proteccin diferencial de banco (87T) ............................................................................. 26
3.3.2 Compensacin del defasamiento angular de las corrientes en una conexin /Y de un
transformador de potencia. ...................................................................................................... 28
3.3.3 Proteccin de sobrecorriente (50/51) .............................................................................. 30
3.4. Nomenclatura de acuerdo ANSI ............................................................................................. 32
3.5 IDENTIFICACIN DE LAS SECCIONES ................................................................................... 33
3.6 Especificaciones del relevador que debe cumplir segn CFE.................................................. 33
3.6.1 Registro de eventos .......................................................................................................... 34
3.6.2 Registro de fallas y oscilografa ........................................................................................ 34
3.6.3 Medicin ........................................................................................................................... 35
3.6.4 Caractersticas de las entradas analgicas de corriente. ................................................. 35
3.6.5 Caractersticas de las entradas analgicas de tensin ..................................................... 36
3.6.6 Nmero de entradas analgicas....................................................................................... 36
3.6.7 Salidas de disparo ............................................................................................................. 36
3.6.8 Salidas digitales ................................................................................................................ 36
3.6.9 Entradas digitales ............................................................................................................. 37
3.6.10 Nmero de contactos para salida de disparo ................................................................ 37
3.6.11 Nmero de contactos de salida digitales ....................................................................... 37
3.6.12 Nmero de entradas digitales ........................................................................................ 37
3.6.13 Montaje .......................................................................................................................... 38
3.6.14 Caractersticas de la caja ................................................................................................ 38
3.6.15 Interfaz humano-mquina (IHM) ................................................................................... 39
3.6.16 Programa (Software) de aplicacin ................................................................................ 39
3.6.17 Niveles de acceso ........................................................................................................... 40
3.6.18 Primer nivel de acceso ................................................................................................... 40
3.6.19 Segundo nivel de acceso ................................................................................................ 40
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3.6.20 Modos de disparo........................................................................................................... 41
3.6.21 Grupos de ajustes ........................................................................................................... 41
3.6.22 Puertos de comunicacin ............................................................................................... 41
3.6.23 Puertos de comunicacin para acceso local .................................................................. 41
3.6.24 Puertos de comunicacin para acceso remoto o para integracin a un sistema de
adquisicin de datos ................................................................................................................. 42
3.7. Polticas para la filosofa de proteccin apegadas a CFE ........................................................ 42
3.7.1 Ajustes de los relevadores 51T y 51 NT ............................................................................ 43
3.7.2 Ajustes de los relevadores 50/51. .................................................................................... 44
3.8. Relevador Microprocesado. ................................................................................................... 45
3.9. Relevador microprocesado SEL 351 ....................................................................................... 47
3.9 Especificaciones relevador SEL-351 ........................................................................................ 47
CAPTULO 4 ESTADO ACTUAL DE LA SUBESTACIN SAN FRANCISCO .... 49
4.1 Introduccin ............................................................................................................................ 49
4.2 Homologacin de los esquemas de proteccin en Subestacin San Francisco de acuerdo a la
especificacin CFE G0000-81Caractersticas Tcnicas para Relevadores de Proteccin. .......... 50
4.2.1 Sobrecorriente (50/51). .................................................................................................... 50
4.2.1.1 Proteccin de alimentador. ....................................................................................... 50
4.2.1.2 Proteccin de respaldo para transformador. ............................................................ 51
4.2.1.3 Proteccin de respaldo para neutro de transformador ............................................ 51
4.2.2 Diferencial del transformador (87T)................................................................................. 51
4.3 Esquemas de proteccin. ....................................................................................................... 52
4.3.1 Esquema de proteccin de la compaa LyFC. ................................................................. 52
4.3.1.1 Proteccin de bancos de potencia para distribucin 85/23 kV conexin /Y. ......... 53
4.3.1.1.1 Relevadores que forman el esquema de proteccin de respaldo del
transformador. .................................................................................................................. 53
4.3.1.2 Proteccin de alimentadores de 23 kV. .................................................................... 54
4.3.2 Esquemas normalizados de proteccin de CFE. ............................................................... 55
4.3.2.1 Proteccin de Transformadores de Potencia de dos devanados conectados en /Y
mayores de 10 MVA. ............................................................................................................. 56
4.3.2.2 Proteccin de alimentadores de 23 kV. .................................................................... 57
4.4 Tableros de proteccin ............................................................................................................ 58
4.4.1 Fuente de alimentacin de VCD ....................................................................................... 59
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iv
4.4.2 Fuente de alimentacin de VCA ....................................................................................... 59
4.4.3 Equipos primarios a los que estar asociado ................................................................... 59
4.4.4 Control supervisorio. ........................................................................................................ 59
4.4.5 Equipamiento de secciones tipo para transformadores .................................................. 60
4.5 Puesta a punto y puesta en servicio de los esquemas de proteccin de la subestacin San
Francisco........................................................................................................................................ 62
4.5.1 Pruebas a los esquemas de proteccin. .......................................................................... 63
4.5.1.1 Inspeccin visual de ajustes en el relevador ............................................................. 64
4.5.1.2 Terminales de prueba ............................................................................................... 64
4.5.1.3 Verificacin de relevador de sobrecorriente de tiempo (51) ................................... 64
4.5.1.4 Verificacin de relevador de sobrecorriente instantneo (50) ................................. 65
4.5.2.3. Inyeccin de corriente al esquema. ......................................................................... 67
CAPTULO 5 COORDINACIN DE PROTECCIONES ........................................ 68
5.1 Introduccin ............................................................................................................................ 68
5.2. Alimentadores primarios ........................................................................................................ 69
5.2.1 Clasificacin ...................................................................................................................... 69
5.3 Proteccin de alimentadores .................................................................................................. 70
5.3.1 Ajustes de las unidades de tiempo de sobrecorriente para alimentadores. ....................... 70
5.3.2 Ajustes de las unidades instantneas de sobrecorriente para alimentadores. ............... 71
5.4 Criterios de coordinacin de protecciones de sobrecorriente. .............................................. 71
5.4.1 Criterio de coordinacin relevador-restaurador. ............................................................. 73
5.4.2 Criterio de coordinacin relevador fusible. ................................................................... 75
5.4.3 Criterio de coordinacin relevador - seccionalizador. ..................................................... 77
5.4.4 Criterio de coordinacin relevador-seccionalizador-fusible. ........................................... 77
5.5 Coordinacin de protecciones en subestacin San Francisco ................................................ 78
5.5.1 Clculo de ajustes para proteccin del transformador y alimentadores ......................... 78
5.5.2 Clculo de ajustes de proteccin de sobrecorriente en alimentadores y transformador.
................................................................................................................................................... 80
5.5.2.1 Protecciones de sobrecorriente en el transformador ............................................... 81
5.5.2.1.1 Proteccin de sobrecorriente con retardo de tiempo en el lado de alta tensin.
........................................................................................................................................... 81
5.5.2.1.2 Proteccin de sobrecorriente al neutro del transformador en el lado de baja
tensin ............................................................................................................................... 82
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5.5.2.2. Protecciones de sobrecorriente en alimentadores .................................................. 83
5.5.2.2.1. Proteccin de sobrecorriente instantnea en alimentadores (50F). ................ 83
5.5.2.2.1.1 Proteccin de sobrecorriente instantnea de fases en alimentadores (50F)
....................................................................................................................................... 84
5.5.2.2.1.2 Proteccin de sobrecorriente instantnea al neutro en alimentadores (50N)
....................................................................................................................................... 84
5.5.2.2.2 Proteccin de sobrecorriente con retardo de tiempo en alimentadores. ......... 85
5.5.2.2.2.1 Proteccin de sobrecorriente con retardo de tiempo de fases en
alimentadores. .............................................................................................................. 85
5.5.2.2.2.2 Proteccin de sobrecorriente con retardo de tiempo al neutro en
alimentadores. .............................................................................................................. 86
5.5.3 Clculo de ajustes de proteccin diferencial de porcentaje del Transformador ............. 93
Conclusiones ....................................................................................................... 96
Bibliografa. .......................................................................................................... 99
APENDICE .......................................................................................................... 101
A1.- Esquematico de proteccion de la subestacion San Francisco ......................................... 101
A2.- Diagrama unifilar con zonas de proteccion. .................................................................... 101
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NDICE DE FIGURAS
Captulo 2
Figura 2. 1 Envolvente de corriente simtrica .............................................................................. 9
Figura 2. 2 Envolvente de corriente asimtrica ......................................................................... 10
Figura 2. 3 Envolvente de corriente asimtrica ......................................................................... 10
Figura 2. 4 Cortocircuito monofsico ........................................................................................... 12
Figura 2. 5 Cortocircuito bifsico.................................................................................................. 13
Figura 2. 6 Cortocircuito Trifsico ............................................................................................... 13
Figura 2. 7 Fasores de secuencia positiva ................................................................................ 16
Figura 2. 8 Fasores de secuencia negativa .............................................................................. 16
Figura 2. 9 Fasores de secuencia cero ...................................................................................... 16
Captulo 3
Figura 3. 1 Proteccin diferencial de banco ............................................................................... 26
Figura 3. 2 Caracteristica de operacin de la proteccion diferencial...................................... 27
Figura 3. 3 Compensacion de las corrientes del transformador ............................................. 29
Figura 3. 4 Curvas de tiempo corriente para cada caracterstica de operacin ................... 31
Figura 3. 5 Relevador microprocesado en forma esquematica .............................................. 47
Captulo 4
Figura 4. 1 Diagrama esquemtico de protecciones de LyFC ................................................ 55
Figura 4. 2 Diagrama esquemtico de protecciones de CFE .................................................. 58
Captulo 5
Figura 5. 1 Esquema de proteccion de alimentador primario .................................................. 70
Figura 5. 2 Coordinacion Relevador-Restaurador..................................................................... 74
Figura 5. 3 Arreglo de alimentador primario con falla ............................................................... 75
Figura 5. 4 Coordinacin relevador-fusiblen con operacin selectiva de la unidad
instantanea. ..................................................................................................................................... 75
Figura 5. 5 Coordinacion relevador-fusible ................................................................................ 76
Figura 5. 6 Coordinacin de protecciones para falla trifsica en el bus de 23kV ................ 89
Figura 5. 7 Coordinacin de protecciones para falla monofsica en el bus de 23kV .......... 90
Figura 5. 8 Coordinacin de protecciones para falla trifsica al prximo elemento de
proteccin ........................................................................................................................................ 91
Figura 5. 9 Coordinacin de protecciones para falla monofsica al prximo elemento de
proteccin ........................................................................................................................................ 92
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INDIC DE TABLAS
Captulo 3
Tabla 3. 1 Identificacin por tensiones de operacin ............................................................... 32
Tabla 3. 2 Identificacin por protecciones primarias para lneas y alimentadores .............. 32
Captulo 4
Tabla 4. 1 Intervalo de ajuste de la funcin 87T ........................................................................ 52
Captulo 5
Tabla 5. 1 Criterios utilizados en el transformador .................................................................... 79
Tabla 5. 2 Criterios utilizados en alimentadores........................................................................ 79
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viii
GLOSARIO DE TRMINOS Y VARIABLES UTILIZADAS
CFE = Comisin Federal de Electricidad
LyFC = Luz y Fuerza del Centro
RTC = Relacion de transformacin
C.D. = Corriente Directa
C.A. = Corriente Alterna
Hz = Hertz
Va1,Vb1,Vc1 = Tensiones de secuencia positiva
Va2, Vb2,Vc2 = Tensiones de secuencia negativa
Va0,Vb0,Vc0 = Tensiones de secuencia cero
a = operador 1120
VA = Tension en la fase A
VB = Tension en la fase B
VC = Tension en la fase C
YBUS (+) = Matriz de admitancias de secuencia positiva
YBUS () = Matriz de admitancias de secuencia negativa
YBUS (0) = Matriz de admitancias de secuencia cero
ZBUS (+) = Matriz de impedancias de secuencia positiva
ZBUS () = Matriz de impedancias de secuencia negativa
ZBUS (0) = Matriz de impedancias de secuencia cero
1= tensin de secuencia positiva en el punto de falla
3 = corriente de cortocircuito trifsica
1 = corriente de cortocircuito monofsica
TC = Transformador de Corriente
= suma de las impedancias de una red elctrica
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2 = milmetros cuadrados
kV = tensin en kilovolts
1= defasamiento angular de 30 en una conexin de transformador delta-estrella
DAB = sentido de la secuencia de fases en una conexin en delta
Pick-Up = corriente mnima de operacin para relevadores de sobre corriente
Vcc = tensin de corriente directa
A = Ampere
In = corriente nominal
VA = Volt-Ampers
= Conexin delta de los devanados del transformador
Y = Conexin estrella de los devanados del transformador
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IPN
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CAPTULO 1 INTRODUCCIN
1.1 Introduccin
En la actualidad el Sistema Elctrico de Potencia va en constante crecimiento, ya
sea con la implementacin de nuevas cargas, o con la puesta en servicio de
nuevas plantas generadoras, dicho sistema est conformado de diferentes
circuitos elctricos.
Un circuito elctrico cuenta con varios componentes necesarios para poder llevar
a cabo su tarea que es el transporte de energa elctrica, dichos componentes
tienen una funcin especfica la cual contribuye al transporte y distribucin de
energa elctrica.
Se sabe que los elementos de un sistema de potencia, en su gran mayora, son
muy costosos, tanto en mantenimiento como en su adquisicin, es por ello que se
buscan proteger de todo tipo de situaciones que pueda alterar la funcionalidad o
en una situacin extrema daarlo.
Para el funcionamiento correcto y eficiente de una red elctrica es necesario
contar con transformadores de corriente y de potencial (transformadores de
instrumento o medicin), interruptores encargados de conectar o desconectar
circuitos, seccionadores, restauradores, fusibles. Los instrumentos de medicin
son necesarios para obtener informacin de las variables elctricas, para realizar
diferentes tipos de estudios, por ejemplo, la proteccin del sistema elctrico de
potencia.
Debido a la incorporacin de nuevas cargas y centrales es necesario tener una red
que se adecue a la evolucin del sistema elctrico de potencia, ya sea con la
creacin de nuevas subestaciones o con la modernizacin de las subestaciones
existentes.
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2
IPN
ESIME-ZAC
En la nueva divisin Valle de Mxico Sur de CFE, en el rea de Toluca se
encuentra una subestacin de nombre San Francisco la cual presenta diversas
deficiencias, ya sea por los equipos los cuales son ineficientes, por falta de
mantenimiento o por la tecnologa obsoleta del equipo, por estas razones es
necesario realizar los estudios correspondientes para obtener una mejor y
renovada coordinacin de protecciones, la cual permitir tener un sistema ms
seguro, estable y eficiente.
La coordinacin protecciones tiene como finalidad contar con un sistema seguro
de acuerdo a sus diferentes protecciones presentadas en dicha red elctrica,
mediante la deteccin de la falla y proteccin del sistema ante dicha falla, tratando
de desconectar el equipo elctrico en riesgo, y as proteger la instalacin y tratar
de minimizar la interrupcin del servicio de energa elctrica.
1.2 Objetivo.
Analizar los esquemas de proteccin ubicadas en la subestacin San Francisco
85/23 kV 30 MVA con la finalidad de proponer la renovacin de equipos y la
aplicacin vigente de la normatividad de la CFE, en cuanto a los criterios de ajuste
y coordinacin de protecciones.
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ESIME-ZAC
1.2 Objetivos especficos
En la Subestacin Elctrica San Francisco que opera con 4 alimentadores en 2
mdulos conectados en anillo para su coordinacin de protecciones requiere:
Realizar el cambio de relevadores digitales por relevadores
microprocesados con tecnologa de punta para una mejor operacin de la
subestacin.
Determinar y analizar las corrientes de corto circuito para verificar las
capacidades de corto circuito de dispositivos de proteccin y tableros, con
la finalidad de aplicarlo en el estudio de coordinacin de protecciones.
Utilizar el software ASPEN para la simulacin de fallas y as poder realizar
la coordinacin correcta de protecciones.
Cumplir con la normatividad especificada por CFE para la proteccin de la
subestacin San Francisco.
Estos puntos habrn de estar presentes a lo largo del proyecto, el cual tiene los
siguientes objetivos especficos:
Elaborar el panorama del funcionamiento de la Subestacin Elctrica San
Francisco.
Diagnosticar la operacin de los esquemas de proteccin contenidos en la
subestacin.
Disear un plan de accin para modernizar los relevadores el sistema de
protecciones actual en la Subestacin Elctrica.
Implementar el plan de accin en la Subestacin Elctrica con la
colaboracin de personal de CFE.
Valorar la mejora alcanzada en el sistema de protecciones de la
Subestacin San Francisco a partir de la implementacin de actividades
encaminadas a la modernizacin del sistema protecciones.
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IPN
ESIME-ZAC
1.3 Justificacin
Debido a la extincin de la compaa de Luz y Fuerza del Centro encargada de la
distribucin y comercializacin de energa elctrica en la zona centro del pas y al
hacerse cargo la Comisin Federal de Electricidad de las actividades realizadas
por esta empresa es necesario que todos los componentes del sistema elctrico
entren en homologacin con la CFE, con el fin de tener un sistema apegado a las
normas establecidas por este organismo.
En este caso, se busca analizar y realizar un estudio en la Subestacin San
Francisco debido a que se presentan las siguientes situaciones:
Equipos de proteccin fuera de normatividad con respecto a CFE.
Fallas insipientes del esquema de proteccin por no cumplir con las
especificaciones.
Diferente filosofa en criterios de ajuste o coordinacin de protecciones.
Operaciones incorrectas de equipos actuales por la propia lgica o
algoritmos del fabricante ARTECHE.
Implementacin de tecnologa de punta en el sistema de proteccin
Por estas situaciones se ha decidido realizar una renovacin de equipos de
proteccin y a la vez realizar un nuevo estudio de proteccin apegados a la
normatividad de CFE.
De esta forma se busca llegar a un sistema ms eficiente para tener un servicio lo
menos interrumpible de energa elctrica y a la vez evitar el dao de equipos e
instrumentos necesarios para la operacin de la subestacin.
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ESIME-ZAC
1.4 Alcances y limitaciones
Los alcances que el proyecto presenta son los siguientes
El presente proyecto pretende relacionar criterios tericos con prcticos
aprovechando la oportunidad del cambio de relevadores por falla de los
instalados.
Mediante la colaboracin de personal de Comisin Federal de Electricidad
se realizar el cambio a relevadores microprocesados para eficientizar las
diferentes protecciones.
Actualizacin de diagramas de control y esquemtico de protecciones por la
implementacin de nuevos relevadores.
Realizar un estudio de la mejora alcanzada en el rea de protecciones de la
subestacin San Francisco a partir de la implementacin de este proyecto.
Las limitaciones que el proyecto presenta son las siguientes
El presente proyecto en el tiempo solo comprende de 8 meses
Las pruebas realizadas en forma real en la subestacin, sern las menos
posibles para evitar poner fuera de servicio los diferentes circuitos
involucrados en esta subestacin.
La visita a la subestacin para la obtencin de algn tipo de informacin
solo podr ser con personal de CFE, debido a que el acceso est
restringido externo a la empresa.
Los encargados del proyecto solo tienen acceso en los horarios
establecidos por el personal de CFE a la Subestacin en estudio.
Los encargados del proyecto estn limitados a la toma de decisiones en
forma individual y sin consulta de personal de CFE.
El quipo de prueba es herramienta de trabajo de CFE por lo que el uso de
este es de forma limitada.
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ESIME-ZAC
CAPTULO 2 CORTOCIRCUITO
2.1Introduccin
Todos los sistemas elctricos de potencia son diseados para satisfacer la
demanda de energa elctrica, la cual se debe suministrar de la ms alta calidad,
continuidad y con la mayor seguridad posible, lamentablemente no siempre es
esto posible, puesto que el sistema est expuesto a perturbaciones que afectan su
estabilidad.
Los sistemas elctricos de potencia se disean para estar libres de fallas como
sea posible, mediante el uso de equipo especializado y diseos cuidadosos, as
como tcnicas modernas de construccin y un mantenimiento apropiado [1]. Las
fallas a las que este est expuesto el sistema elctrico pueden ser de naturaleza
permanente o de naturaleza transitoria. Las fallas de naturaleza permanente son
aquellas donde la prdida del aislamiento del sistema es permanente y no se
puede recuperar, y las fallas de naturaleza transitoria son aquellas donde la
prdida del aislamiento del sistema es momentnea, lo cual significa que este es
recuperable y no afecta de la misma forma que lo hacen las fallas permanentes.
Una de las principales y la ms comn perturbacin que afecta al sistema elctrico
de potencia es el cortocircuito, un cortocircuito es comnmente causado por fallas
en el aislamiento del circuito en donde se produce, y en algunos casos
dependiendo de las condiciones y de la magnitud del cortocircuito se produce un
arco elctrico. Dependiendo de la magnitud, duracin y los esfuerzos trmicos y
mecnicos al que el cortocircuito exige al equipo en que se produce, puede daar
otros equipos y partes aledaas del sistema elctrico. Por lo tanto es muy
importante que este tipo de fallas sean aisladas lo ms rpido posible del sistema
elctrico, lo cual es funcin de las protecciones que se encargan de librar estas
fallas.
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ESIME-ZAC
En un sistema elctrico trifsico la magnitud de la corriente de cortocircuito
depende del tipo de falla que se produzca. La falla de mayor magnitud es la falla
trifsica, es decir, la falla entre las tres fases que integra el sistema y la de menor
magnitud es la falla monofsica a tierra. Siendo la falla trifsica la falla con menor
probabilidad de ocurrencia y la falla monofsica a tierra con la mayor probabilidad
de ocurrencia.
Es imperativo tener en cuenta la corriente de cortocircuito al momento de disear
un sistema elctrico de potencia, as como las protecciones elctricas que le
brindaran proteccin contra esta corriente de cortocircuito. Ya que esto permitir
brindar un servicio de calidad y mantener el sistema seguro ante eventualidades
que puedan presentarse.
2.2 Definicin de cortocircuito.
Un cortocircuito es una conexin anormal (incluido el arco elctrico) de
relativamente baja impedancia, ocasionada de forma accidental o intencional,
entre dos puntos de diferente potencial [2]. Un cortocircuito ocasiona una corriente
denominada corriente de cortocircuito, el mximo valor de dicha corriente est
directamente relacionado con la capacidad del sistema elctrico de potencia que
suministra energa al circuito en donde se produce la falla que origina la corriente
de cortocircuito, y es independiente de la corriente de carga del circuito. Los
factores que determinan la magnitud y la duracin de la corriente de cortocircuito
son el tipo de falla, las fuentes que aportan corriente a la corriente de falla y la
impedancia presente entre dichas fuentes y el punto de cortocircuito [3].
2.2.1 Origen y consecuencia del cortocircuito.
Los sistemas elctricos de potencia estn diseados para estar libre de fallas tanto
como sea posible a travs de un cuidadoso diseo del sistema y utilizando el
equipo apropiado para proteger al sistema de posibles perturbaciones, adems de
un continuo mantenimiento de este mismo equipo. Sin embargo, a pesar de tomar
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IPN
ESIME-ZAC
todas las precauciones, las fallas se producen en el sistema. Algunas causas
probables de este tipo de fallas son [3]:
Presencia de animales en el equipo.
Equipos conectados errneamente.
Fuentes de tensin.
Deterioro del aislamiento por envejecimiento.
Voltaje o estrs mecnico aplicado a los equipos.
Acumulacin de contaminacin (suciedad) y humedad.
La intrusin de objetos metlicos o conductores de la electricidad en los
equipos.
Otro tipo de causas de origen indeterminado.
Cuando ocurre un cortocircuito, se presentan diversas situaciones que se
manifiestan con distintos fenmenos, como son [3]:
Las corrientes de cortocircuito suelen ser de gran magnitud por lo que
introducen una gran cantidad de energa al sistema.
En el punto de falla puede producirse un arco elctrico, que podra daar al
equipo adyacente e incluso provocar dao al personal que se encuentre
cercano a l.
Las mquinas elctricas rotatorias (motores y generadores) pueden
contribuir a la corriente de cortocircuito en caso de presentarse en el
sistema.
Todos los componentes por los cuales fluye la corriente de cortocircuito se
ven sometidos a esfuerzos trmicos y mecnicos provocados por la
magnitud de la corriente de falla.
La tensin del sistema cae en proporcin a la magnitud de la corriente de
cortocircuito. La mxima cada de tensin ocurre en el punto de la falla
(cero para una falla con arco elctrico), pero en todo el sistema se ve sujeto
a cadas de tensin.
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2.2.2 Corrientes de cortocircuito simtrica y asimtrica.
Los trminos corriente simtrica y asimtrica describe la forma de onda de la
corriente altera alrededor del eje cero. Si la envolvente de los picos negativos y
positivos de la onda de corriente es simtrica alrededor del eje cero, se le llama
envolvente de corriente simtrica como se muestra en la figura 2.1. Si la
envolvente de los picos positivo y negativo no es simtrica alrededor del eje cero,
se le llama envolvente de corriente asimtrica como se muestra en la figura 2.2.
La envolvente es una lnea que se traza sobre los picos o las crestas de las ondas
[3].
Figura 2. 1 Envolvente de corriente simtrica
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Figura 2. 2 Envolvente de corriente asimtrica
Las corrientes de cortocircuito generalmente son asimtricas durante los primeros
ciclos despus que ocurra el cortocircuito y contiene dos componentes, una
componente de corriente directa (C.D.) y una de corriente alterna (C.A.). La
componente de C.D. se muestra en la figura 2.3, esta componente gradualmente
decae a cero despus de un par de ciclos. Una onda tpica asimtrica de corriente
de cortocircuito se muestra en la figura 2.2.
Figura 2. 3 Envolvente de corriente asimtrica
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2.2.3 Efectos dinmicos de la corriente de cortocircuito
Los efectos dinmicos de las corrientes de cortocircuito son de doble naturaleza,
ya sea porque estn relacionados con la dilatacin trmica de los materiales o por
las fuerzas de atraccin y repulsin que se manifiestan durante la perturbacin.
Estos esfuerzos dinmicos provocan esfuerzos de naturaleza mecnica en las
partes rgidas de las instalaciones como pueden ser las barras rgidas en las
subestaciones elctricas, los tableros de fuerza, etc. [4].
En el caso de los cables de potencia, por lo general cuando tienen aislamiento de
polietileno se deforman por las bruscas elevaciones de temperatura, mientras que
en el caso de medios aislantes con diferentes coeficientes de dilatacin se tienen
deformaciones menos apreciables. Las deformaciones en los cables estn por lo
tanto estrechamente relacionadas con sus caractersticas constructivas [4].
2.2.4 Efectos trmicos de la corriente de cortocircuito.
Las consecuencias trmicas de las corrientes de cortocircuito sobre las
instalaciones an cuando en la primera etapa no tienen mucha importancia,
despus, cuando la energa trmica acumulada se difunde a todas la partes no
metlicas de la instalacin, puede provocar problemas severos. Lo cual puede
presentarse cuando corrientes de cortocircuito muy elevadas en unos cuantos
segundos, ademas cuando los medios refrigerantes y los aislamientos no tienen el
tiempo suficiente para absorber la sobretemperatura que se presenta de
improviso. Los puntos ms delicados y fciles de ceder son es este caso las
partes metlicas mecnicamente ms frgiles, donde el considerable efecto
trmico se suma a las solicitaciones dinmicas producidas por las corrientes de
cortocircuito [4].
2.3. Tipos de cortocircuito
Los cortocircuitos o fallas, pueden ocurrir en un sistema elctrico de potencia
trifsico en distintas formas. El dispositivo de proteccin encargado de
desconectar el circuito en caso de que se presente alguna falla, debe tener la
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capacidad de interrumpir cualquier tipo de falla que se pueda presentar, las fallas
que se pueden presentar son las que se indican a continuacin:
2.3.1. Cortocircuito monofsico.
Es la corriente que se presenta cuando ocurre una falla entre una lnea y la tierra
como se muestra en la figura 2.4, la falla slida de fase es por lo general igual o
ligeramente menor que la falla trifsica, excepto cuando se conectan los neutros a
tierra a travs de un valor elevado de impedancia, donde el valor de corriente es
significativamente menor [1]. Un cortocircuito monofsico generalmente es del
tipo ms comn de fallas que se presentan en un sistema elctrico de potencia, el
cual tiene una ocurrencia del 80% de los casos [5,6].
2.3.2. Cortocircuito bifsico.
Esta tipo de falla se presenta cuando dos fases se conectan entre s fsicamente o
por medio de un arco elctrico como se muestra en la figura 2.5. En la mayora de
los sistemas trifsicos, los niveles de falla slida de fase a fase son de
aproximadamente el 87% de la corriente de falla trifsica, debido a esto, el clculo
de esta falla no siempre se requiere, ya que no representa el valor mximo [1].
Este tipo de cortocircuitos generalmente se producen en el 15% de las veces
cuando ocurre una falla en un sistema elctrico de potencia [5,6].
Figura 2. 4 Cortocircuito monofsico
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2.3.3 Cortocircuito trifsico.
Una falla trifsica describe la condicin en que los tres conductores, es decir, las
tres fases se unen fsicamente con un valor muy bajo de impedancia entre ellas,
mostrada en la figura 2.6. Este tipo de condiciones de falla no es el ms frecuente
en ocurrencia, pero por lo general, es de mayor valor que todas las otras fallas.
Este tipo de falla se presenta en solo en 5% de las veces que ocurre una falla en
un sistema elctrico de potencia [5,6].
2.4 Fuentes de aportacin a la corriente de cortocircuito.
Cuando ocurre una falla en algn punto de la red elctrica y genera una corriente
de cortocircuito, la magnitud de dicha corriente est dada por la magnitud de
corriente que puedan aportar los equipos elctricos de generacin de energa
elctrica cercanos al punto de falla.
Figura 2. 5 Cortocircuito bifsico
Figura 2. 6 Cortocircuito Trifsico
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2.4.1 Generadores
Los generadores elctricos estn conectados por turbinas o primo motores, de
modo que cuando ocurre un cortocircuito alimentado por el generador, este tiende
a seguir produciendo voltaje debido a que la excitacin del campo se mantiene y
el primo motor contina accionado al generador a la velocidad nominal. El voltaje
generado produce una corriente de cortocircuito de gran magnitud que circula del
generador al punto del cortocircuito. El valor de esta corriente, se encuentra
limitado solo por la impedancia del generador [1].
2.4.2 Motores sncronos
Los motores sncronos son construidos de manera similar a los generadores,
tienen un devanado de campo excitado por corriente directa y un devanado del
estator por el cual circula la corriente alterna. Cuando se presenta un cortocircuito
en el sistema, el voltaje se reduce a un valor muy bajo. En consecuencia, el motor
suspende la entrega de energa a la carga mecnica e inicia su frenado
lentamente. Sin embargo, debido a la inercia de la carga y del rotor, este contina
girando, esto quiere decir que la energa rotatoria de la carga y el rotor manejan al
motor sncrono justamente, como el primo motor maneja al generador. En estas
condiciones, el motor sncrono se convierte en generador y delibera corriente de
cortocircuito por varios ciclos despus de que ocurri la falla [1]. El valor de la
corriente de cortocircuito producida por el motor depende de la impedancia del
mismo y del sistema al punto donde ocurre el cortocircuito [7].
2.4.3 Motores de induccin
La inercia de la carga y el rotor de un motor de induccin, tiene el mismo efecto
sobre un motor de induccin que en un motor sncrono, es decir, que el motor se
mantiene funcionando despus de que ocurre el cortocircuito en el sistema [1]. La
diferencia entre el motor de induccin y el motor sncrono radica en que el motor
de induccin no posee un devanado de excitacin de corriente continua en su
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rotor, pero existe el flujo que permanece de manera residual en el rotor despus
de haber cesado su operacin normal.
El flujo del rotor permanece normal en la medida que el voltaje es aplicado al
estator por la fuente externa. Sin embargo, si la fuente externa de voltaje fuera
sbitamente removida, como ocurre cuando se presenta un cortocircuito en el
sistema, el flujo en el rotor no decae instantneamente.
Debido a que el flujo no puede decaer instantneamente y la accin de la inercia
de las partes rotatorias del motor de induccin mantienen girando al rotor, se
genera una tensin en el devanado del estator inducida por el flujo del rotor, esto
produce una corriente que circula hacia el punto de falla, hasta que el flujo del
rotor decae a cero. Esta corriente decae casi por completo en aproximadamente 4
ciclos (para una frecuencia de 60 Hz), esto se debe a que el flujo no es suficiente
para mantener la corriente por mucho tiempo [1].
La magnitud de la corriente producida por un motor de induccin, depende de la
impedancia del propio motor y de la impedancia del sistema en el punto en que
ocurre la falla. Dicha impedancia del motor de induccin en el momento del
cortocircuito corresponde muy aproximadamente a la impedancia a rotor
bloqueado. En consecuencia, el valor inicial de la corriente del motor de induccin
al ocurrir un cortocircuito, es aproximadamente igual al valor de la corriente de
arranque a rotor bloqueado del motor [1].
2.5 Mtodo de las componentes Simtricas.
El mtodo de las componentes simtricas consiste en descomponer un sistema
desbalanceado de n fasores relacionados en un sistema de n fasores balanceados
llamadas componentes simtricas. Los n fasores de casa conjunto de
componentes son iguales en longitud, y los ngulos entre fasores adyacentes de
un conjunto son iguales [6]. Los conjuntos balanceados de componentes son:
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Componentes de secuencia positiva (figura 2.7): consiste en tres fasores de
igual magnitud y desplazados 120 uno de otro, los cuales tienen la misma
secuencia que los fasores originales.
Componentes de secuencia negativa (figura 2.8): consiste en tres fasores
de igual magnitud y desplazados 120 uno de otro, los cuales tienen una
secuencia de fases opuesta a los fasores originales.
Componentes de secuencia cero (figura 2.9): consiste en tres fasores de
igual magnitud y sin desplazamiento uno de otro.
Figura 2. 7 Fasores de secuencia positiva
Figura 2. 8 Fasores de secuencia negativa
Figura 2. 9 Fasores de secuencia cero
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Para poder relacionar entre las componentes simtricas de distinta secuencia se
hace uso de operador a el cual es un vector de magnitud unitaria y mdulo de
120, sobre el plano complejo.
Si las relaciones de las componentes simtricas se les aplica el operador a
quedara de la siguiente manera:
= 0 + 1 + 2 (2.1)
= 0 + (1) + (2) (2.2)
= 0 + (1) + (2) (2.3)
Representndolo de forma matricial:
= 1 1 11 2 1 2
012
(2.4)
012
= 1
3 1 1 11 2
1
(2.5)
Con lo cual se est en posibilidades de calcular cantidades de fase, conocidas las
componentes simtricas y calcular las componentes simtricas en funcin de las
cantidades de fase [8]. Las relaciones anteriores son tambin aplicables al anlisis
de las corrientes.
Lo anterior es vlido siempre y cuando se respeten estrictamente las reglas que
limitan el uso de las componentes simtricas [8] que son:
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1. Voltajes de secuencia positiva, negativa y cero, inducen nicamente
corrientes de secuencia positiva, negativa y cero, respectivamente.
2. Corrientes de determinada secuencia, solo podrn producir voltajes de esa
misma secuencia.
3. Los elementos activos de la red, solo generan voltaje de secuencia positiva.
4. Los voltajes de secuencia negativa y cero se consideran generados en el
punto de falla; disminuyendo en magnitud tan pronto se alejan de ese
punto.
5. El voltaje de secuencia positiva es cero en el punto de falla y mximo en los
puntos de generacin.
6. Las corrientes de secuencia cero al estar en fase y ser del mismo tamao,
necesitan de un neutro para retornar.
2.6 Mtodos de clculo de cortocircuito.
Existen diversos mtodos para determinar la magnitud de la corriente de
cortocircuito, cada mtodo se utiliza dependiendo de la red o sistema donde se
pretende realizar el clculo de dicha corriente.
2.6.1 Mtodo Zbus y Ybus.
Para realizar este mtodo se hacen las siguientes suposiciones:
No se toman en cuenta las cargas conectadas al sistema que no sean
motores, ni otras conexiones de fase a neutro, como las que representa la
capacitancia de las lneas de transmisin o la excitacin de los
transformadores. Esto equivale a considerar que antes de la falla no circula
ninguna corriente por la red [9].
Si no se conocen los voltajes que existen en los distintos puntos de la red
antes de que ocurra una falla, puede considerarse que su valor expresado
en por unidad es igual a uno [9].
Este mtodo requiere de los siguientes pasos:
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1. Construir las redes de secuencia positiva, negativa y cero, del sistema a
analizar.
2. Formar las matrices + , , 0 :
nnnn
n
n
BUS
YYY
YYY
YYY
Y
21
22221
11211
)( (2.6)
El tamao de dicha matriz depender del nmero de nodos de la red. Los
elementos dentro de la diagonal principal de la matriz corresponden a la suma de
las admitancias conectadas nodo correspondiente, y los elementos fuera de la
diagonal corresponden al negativo de la admitancia del elemento conectado entre
ambo nodos. Si no hay elemento conectado entre dos nodos, la admitancia es
cero, lo cual significa que la impedancia entre los dos nodos tiende a infinito.
Las dems matrices se construyen de igual manera, con sus respectivas redes de
secuencia.
3. Determinar las matrices de impedancias de red (+), () y (0).
(+)1 = (+) (2.7)
()1 = () (2.8)
(0)1 = (0) (2.9)
4. Al haber obtenido las matrices de impedancia de red de las respectivas
secuencias, se procede a aplicar las frmulas para el clculo de
cortocircuito trifsico y monofsico en el nodo respectivo que se desee
calcular, es decir, que se tienen que realizar los clculos con las
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impedancias obtenidas en la matriz en la diagonal principal en el respectivo
nodo (elemento ). Posteriormente haciendo uso de la componentes
simtricas, para el clculo de las corrientes de falla se obtienen las
siguientes frmulas.
Para la corriente de cortocircuito monofsica:
Icc1= 31
(+)+ ()+ (0) (2.10)
Para la corriente de cortocircuito trifsico:
Icc3= 1
(+) (2.11)
2.6.2. Mtodo de las impedancias.
El mtodo de las impedancias permite calcular las corrientes de falla en cualquier
punto de una instalacin, con una precisin aceptable. Consiste en sumar
separadamente las diferentes resistencias y reactancias del circuito donde ocurre
la falla, aadiendo despus las aportaciones del generador, hasta el punto
considerado; despus se calcula tambin la impedancia correspondiente. La
corriente de cortocircuito se obtiene aplicando la ley de Ohm para la corriente de
cortocircuito trifsica como lo indica la ecuacin 2.12:
=
3 (2.12)
Para aplicar este mtodo es imprescindible conocer todas las caractersticas de
los diferentes elementos del circuito donde ocurre la falla [5].
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2.6.3. Mtodo convencional.
Este mtodo permite calcular las corrientes de cortocircuito mnimas y las
corrientes de falla en el extremo de una red, sin conocer las impedancias o las
corrientes de cortocircuito de la instalacin arriba del circuito considerado.
Se basa en la hiptesis de que la tensin en el origen del circuito, durante el
tiempo de cortocircuito, es igual al 80% de la tensin nominal.
Este mtodo no tiene en cuenta la reactancia de los conductores para secciones
inferiores a 150 2. Este mtodo se usa sobre todo para los circuitos finales
suficientemente alejados de las fuentes de alimentacin. No se puede utilizar en
circuitos alimentados por un alternador [5].
2.6.4. Mtodo por norma IEC 60909.
La norma IEC 60909 se aplica a todas las redes, radiales y malladas, hasta 550
kV [5].
Se basa en el teorema de Thevenin, consiste en calcular una fuente de tensin
equivalente en el punto de cortocircuito para, posteriormente, determinar la
corriente en ese mismo punto. Todas las alimentaciones de la red y las mquinas
sncronas y asncronas se sustituyen por sus impedancias (secuencia positiva,
secuencia negativa y secuencia cero). Con este mtodo se desprecian todas las
capacidades de lnea y las admitancias en paralelo de las cargas no rotativas,
salvo las de secuencia cero [5].
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CAPTULO 3 FILOSOFA DE PROTECCIN POR RELEVADORES
3.1. Introduccin
La proteccin de un equipo consiste en evitar el dao parcial o total del mismo,
dicha proteccin se logra al aislar el equipo ante la existencia de alguna
sobrecorriente o sobretensin.
La proteccin por relevadores es una caracterstica muy importante que se
implementa en los diseos de los sistemas elctricos de potencia, dicha
caracterstica est relacionada con mantener tanto la calidad como continuidad del
servicio ante eventos adversos como lo son las fallas, procurando que estas fallas
se presenten mnimamente durante un tiempo corto y con esto brindar
confiabilidad y seguridad al sistema.
La funcin de proteger por relevadores est basada en la desconexin del sistema
en forma parcial o total cuando el sistema comienza a funcionar anormalmente, y
esto pueda generar algn dao o interfiera de forma directa con el funcionamiento
eficaz del sistema.
Esta proteccin acta directamente sobre los interruptores, que son los elementos
del sistema que desconectan el equipo defectuoso o en falla, los interruptores
estn localizados de tal manera que cada uno de los elementos pueda
desconectarse totalmente del sistema.
Un aspecto muy importante es la seleccin correcta de los interruptores, los cuales
deben tener la capacidad suficiente para que puedan soportar momentneamente
la corriente de cortocircuito que pueda llegar a ellos y poder interrumpir esa
corriente.
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3.2 Criterios de diseo para la proteccin por relevadores.
Para la implementacin de un sistema de proteccin adecuado, se debe cubrir
ciertos criterios de proteccin, los cuales nos permiten dividir el sistema elctrico
en diferentes zonas, teniendo en cada zona un grupo de relevadores sin dejar
ninguna zona sin la cobertura por parte de la proteccin. Los criterios aplicados al
sistema de protecciones son: simplicidad, selectividad, economa, confiabilidad y
velocidad, que se definen de la siguiente manera [10]:
3.2.1 Simplicidad
Este criterio hace referencia al uso en menor cantidad de equipo y conexin del
equipo para que el sistema de protecciones tenga una excelente funcionalidad,
destacando que una proteccin o en un sistema de proteccin se debe evitar
complejidades innecesarias, ya que stas seran fuentes de riesgo que
comprometeran el cumplimiento de las propiedades que deben caracterizar su
funcionamiento.
3.2.2 Selectividad
La selectividad es la capacidad que debe tener la proteccin para, una vez
detectada la existencia de falla, discernir si la misma se ha producido dentro o
fuera de su rea de vigilancia y dar orden de disparar los interruptores aledaos al
sitio de falla que controla, cuando as sea necesario para despejar la falla. Si la
falla se ha producido dentro del rea vigilada por la proteccin sta debe dar la
orden de abrir los interruptores que aslen el circuito en falla. Si, por el contrario, la
falla se ha producido fuera de su rea de vigilancia, la proteccin debe dejar que
sean otras protecciones las que acten para despejarla, ya que su actuacin en
caso de no ser necesaria dejara fuera de servicio un nmero de circuitos ms
elevado que el estrictamente necesario para aislar la falla y, consecuentemente,
implicara un innecesario debilitamiento del sistema. Existen diversas formas de
dotar a las protecciones de la caracterstica de selectividad. En algunos casos, la
propia configuracin de la proteccin hace que solamente sea sensible ante fallas
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ocurridas en su rea de proteccin y, por tanto, la selectividad resulta ser una
cualidad inherente al propio funcionamiento de la proteccin. En los casos en que
las protecciones si son sensibles a fallas ocurridas fuera de su rea de vigilancia la
selectividad puede lograrse, por ejemplo, mediante un adecuado ajuste de
condiciones y tiempos de actuacin en coordinacin con el resto de protecciones
relacionadas.
3.2.3 Economa
La valoracin econmica no debe restringirse solamente al elemento directamente
protegido, sino que debe tener en cuenta las consecuencias que implicaran el
fallo o funcionamiento anmalo del mencionado elemento.
3.2.4 Confiabilidad
Una proteccin fiable es aquella que responde siempre correctamente. Esto
significa que la proteccin debe responder con seguridad y efectividad ante
cualquier situacin que se produzca. No debe confundirse la respuesta de la
proteccin con su actuacin u operacin. La proteccin est vigilando
continuamente lo que pasa en el sistema y, por tanto, est respondiendo en cada
instante en funcin de las condiciones que en l se producen. En consecuencia, la
respuesta de la proteccin puede ser tanto de actuacin como de no actuacin.
Por otra parte, cuando la proteccin debe actuar, es necesario que todas las
etapas que componen el proceso de despeje de la falla sean cumplidas
correctamente.
El fallo en cualquiera de ellas implicara que la orden de actuacin dada por la
proteccin no podra ser cumplida con la debida obediencia por el interruptor
correspondiente.
Se debe tener en cuenta que una proteccin solamente acta en condiciones de
falla y que estas condiciones son escasas y excepcionales en cualquier sistema
elctrico de potencia moderno. Por tanto, aunque una proteccin a lo largo de su
vida til va a operar en escasas ocasiones, se debe tener la seguridad de que
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operar correctamente aunque haya transcurrido un largo periodo de tiempo
desde la ltima ocasin en que haya realizado alguna operacin.
3.2.5 Velocidad
Tras haber sido detectada, una falla debe ser despejada lo ms rpidamente
posible. Cuanto menos tiempo se tarde en aislar la falla, menos se extendern sus
efectos y menores daos y alteraciones se producirn al reducirse el tiempo de
permanencia bajo condiciones anmalas en los diferentes elementos. Todo ello
redunda en una disminucin de los costes y tiempos de restablecimiento de las
condiciones normales de operacin, as como de reparacin o reposicin de
equipos daados.
La rapidez con que puede actuar una proteccin depende directamente de la
tecnologa empleada en su construccin y de la velocidad de respuesta del
sistema de mando y control de los interruptores automticos asociados a la
misma.
Sin embargo, un despeje ptimo de la falla no exige que todas las protecciones
que la detectan acten de forma inmediata. En funcin de esta caracterstica las
protecciones se clasifican en:
Protecciones instantneas.
Son aquellas que actan tan rpido como es posible si es que una falla se ha
producido dentro del rea que vigilan directamente. En la actualidad, el tiempo
usual de despeje de una falla en alta tensin mediante una proteccin
instantnea puede situarse en el entorno de dos o tres ciclos. Si el tiempo de
despeje es menor la proteccin se denomina de alta velocidad.
Protecciones de tiempo diferido o con retraso en tiempo.
Son aquellas en las que de manera intencionada se introduce un tiempo de
espera que retrasa su operacin, es decir, que retrasa el inicio de la maniobra
de apertura de interruptores una vez que ha sido tomada la decisin de operar.
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3.3 Protecciones de transformador y alimentadores.
Los transformadores de potencia son los elementos ms costosos dentro de una
subestacin, y es por esto que se debe tener especial cuidado para implementar
una proteccin a estos equipos. Para la proteccin del transformador se utiliza el
relevador de proteccin diferencial de porcentaje (utilizada para proteger
transformadores a partir de 10 MVA) como proteccin primaria, como proteccin
de respaldo se utiliza un relevador de sobrecorriente de fases en el lado de alta
tensin y un relevador de sobrecorriente en el neutro de la estrella del
transformador.
En el caso de los alimentadores, estos son protegidos con relevadores de
sobrecorriente para fases y para neutro, en forma instantnea y con retardo de
tiempo.
3.3.1 Proteccin diferencial de banco (87T)
Un relevador diferencial se puede definir como aquel que opera cuando la
diferencia vectorial de dos o ms cantidades elctricas similares excede una
cantidad determinada [11]. En la mayora de las aplicaciones con relevadores
diferenciales su utiliza el de tipo corriente diferencial y el ms extensamente usado
en funciones de proteccin es el relevador diferencial de porcentaje. Como se
muestra en la siguiente figura 3.1.
Figura 3. 1 Proteccin diferencial de banco
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Este tipo de relevadores opera nicamente con fallas internas dentro de la zona de
proteccin definida por la ubicacin de los TCs. Por lo tanto, para utilizar este tipo
de proteccin a transformadores de potencia se debe tomar en cuenta las
relaciones y las conexiones de los TCs en los lados opuestos del transformador,
tales que compensen el cambio de magnitud y el ngulo de fase entre las
corrientes del transformador.
La corriente diferencial requerida para que el relevador funcione es una magnitud
variable, debido al efecto de la bobina de restriccin. Siendo el nmero de vueltas
de ambas bobinas (operacin y restriccin) el mismo, se establece que la
magnitud de operacin es proporcional a 1 2 y la magnitud de restriccin, es
proporcional a (1 + 2)/2, ya que la bobina de operacin est conectada en el
punto medio de la bobina de operacin. La caracterstica de operacin diferencial
de porcentaje se muestra en la siguiente figura 3.2.
La implementacin de este tipo de relevadores diferenciales de porcentaje para la
proteccin de transformadores de potencia es debido a la necesidad de
compensar adems de la diferencia de relacin de los TCs de alta y baja tensin,
las diferencias en las corrientes secundarias ocasionadas por el cambio de TAPs
del transformador.
Figura 3. 2 Caracteristica de operacin de la proteccion diferencial
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3.3.2 Compensacin del defasamiento angular de las corrientes en una
conexin /Y de un transformador de potencia.
Existen diversas causas que pueden ocasionar una falsa operacin en una
proteccin diferencial de un transformador, ya sea durante la operacin normal del
transformador o durante una falla externa. Una de esas causas es el defasamiento
angular de las corrientes de lnea del transformador, que depende de la conexin
de los devanados del transformador. Se debe de tener especial cuidado al
momento de compensar esta diferencia angular, ya que una diferencia en las
corrientes censadas por el relevador ocasionara falsas operaciones de la
proteccin diferencial.
En los relevadores electromecnicos la compensacin angular de estas corrientes
se tena que realizar antes de que las terminales de los secundarios de los TCs se
conectaran a las terminales de dicho relevador, es decir, que los secundarios de
los TCs se conectaban dependiendo de la conexin de los devanados del
transformador, una regla que generalmente se utiliza es la de conectar los
secundarios de los TCs en delta si el devanado del transformador se encuentra en
estrella y conectar en estrella los secundarios de los TCs si el devanado del
transformador se encuentra conectado en delta. Actualmente, con la introduccin
de relevadores microprocesados ya no es necesario realizar esta tarea, puesto
que estos relevadores microprocesados tienen la opcin de compensar las
corrientes del transformador mediante el software interno que poseen para dicho
propsito, simplemente con indicarles el tipo de conexin del transformador
mediante software el relevador compensa el defasamiento que exista en la
conexin del transformador.
En la figura 3.3 se muestra la compensacin de las corrientes en un transformador
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La conexin de este transformador que se muestra en la figura 3.3 es una delta en
el lado de alta tensin y en estrella en el lado de baja tensin, el defasamiento
entre corrientes es de mltiplos de 30 respecto a cada fase, para facilitar el
proceso de compensacin se toma cada 30 como una posicin de las horas en
un reloj tomando como referencia las 12 horas. Para compensar las corrientes
mediante esta nomenclatura se toma como referencia el fasor de linea (se toma a
las 12 en la posicin del reloj) de la delta del lado de alta conectado como se
indica (DAB que indica la secuencia de fases) y se compara con la posicin del
vector de fase de la conexin en lado de baja tensin, que en este caso tiene un
desplazamiento de 30 en la direccin de las manecillas del reloj respecto al fasor
de referencia del lado de alta, lo cual significa que este fasor aparecer de
acuerdo al sentido horario a la 1 en el reloj. Por lo que esta conexin
especficamente se conoce como Dy1, la letra D en mayscula indica la conexin
del devanado del alta del transformador y la letra y en minscula indica la
conexin del transformador en el lado de baja tensin, el numero 1 indica el
defasamiento angular en mltiplos de 30 entre las corrientes del transformador.
Para lo relevadores modernos nicamente se les indica esta conexin y el
defasamiento que existe, la compensacin la realiza internamente, por lo tanto la
conexin de los TCs se puede realizar en estrella en ambos lados del
transformador sin importar el tipo de conexin que presente el transformador de
potencia.
Figura 3. 3 Compensacion de las corrientes del transformador
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3.3.3 Proteccin de sobrecorriente (50/51)
La proteccin de sobrecorriente, en los sistemas de proteccin es de las ms
comnes, debido a que una sobrecorriente es la anomala que ocurre con mayor
frecuencia y es definida de la siguiente manera [19]:
La proteccin de sobrecorriente es la proteccin que acta al existir un aumento
de corriente por arriba de los valores normales de operacin.
El funcionamiento del esquema de proteccin depende de lo siguiente:
a) El nivel mnimo de corriente establecido para su operacin (Pick Up)
b) El tiempo en el cual la proteccin opera, es decir, la respuesta que tendr el
esquema de proteccin con respecto al tiempo.
La proteccin de sobrecorriente opera de forma instantnea (50) o con retardo de
tiempo (51).
La proteccin de sobrecorriente instantnea es aquella que acta, en un rango
promedio de 2 a 3 ciclos al existir una corriente mayor establecida en los ajustes.
Esta proteccin es utilizada generalmente en los sistemas radiales.
La proteccin de sobrecorriente con retardo de tiempo es aquella que su tiempo
de operacin varia en forma inversa a la corriente que circula por el relevador, es
decir, a mayor corriente menor el tiempo de operacin. Esta caracterstica de
operacin puede ser:
De tiempo definido
De tiempo inverso
De tiempo muy inverso
De tiempo extremadamente inverso
Una vez definida la caracterstica de operacin, se buscan las curvas
correspondientes, las cuales difieren por el rango en el cual el tiempo de
operacin decrece al aumentar el valor de la corriente.
En la figura 3.4 se muestran los tipos de curvas para cada caracterstica de
operacin existentes para la proteccin con retardo de tiempo.
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Figura 3. 4 Curvas de tiempo corriente para cada caracterstica de operacin
Los esquemas de proteccin de sobrecorriente se implementan para proteger las
fases o el neutro del sistema.
El esquema de fases es utilizado para que el relevador opere al existir una falla
bifsica o trifsica en el sistema elctrico, utilizado principalmente en sistemas
radiales. El esquema de neutro es utilizado para que el relevador opere al existir
una falla monofsica o bifsica a tierra, utilizado de igual forma en sistemas
radiales pero tambin en transformadores.
Cada esquema contempla su proteccin instantnea y su proteccin con retardo
de tiempo.
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3.4. Nomenclatura de acuerdo ANSI
La nomenclatura utilizada en las subestaciones se da por normatividad de CFE
apegada a la normatividad ANSI, descrita a continuacin en la tabla 3.1
Identificacin por tensiones de operacin [13]:
Tabla 3. 1 Identificacin por tensiones de operacin
Nomenclatura Aplicacin
5 Tensiones de 44 kV y menores
7 Tensiones mayores de 44 kV y hasta
161 kV
9 Tensiones mayores de 161 kV y hasta
230 kV
A Tensiones de 400 kV
La asignacin de nomenclatura que tendr que existir en una subestacin para las
protecciones primarias a lneas y alimentadores se describe en la tabla 3.2
Identificacin por protecciones primarias para lneas y alimentadores.
Tabla 3. 2 Identificacin por protecciones primarias para lneas y alimentadores
Nomenclatura ANSI Proteccin Primaria
50 Sobrecorriente instantnea
51 Sobrecorriente temporizado
67 Sobrecorriente direccional
21 Distancia
85 Comparacin direccional
87L Diferencial de lnea
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3.5 IDENTIFICACIN DE LAS SECCIONES
Para poder dar la correcta nomenclatura de las secciones y tener una correcta
identificacin se procede a ir a la especificacin V6700-62 Tableros de proteccin,
control y medicin para subestaciones elctricas [14].
3.6 Especificaciones del relevador que debe cumplir segn CFE
Las especificaciones y caractersticas necesarias para que el relevador que se
instalara est en norma con CFE son obtenidas de la especificacin CFE G0000-
81 Caracteristicas Tecnicas para Relevadores de Proteccion [13], de las cuales
las ms importantes son mencionadas a continuacin.
Las funciones requeridas que debe tener el relevador son:
Todos los relevadores utilizados para las diferentes protecciones deben de ser
microprocesados, y deben de contar con lo siguiente [13]:
a) Funciones principales y adicionales solicitadas en caractersticas
particulares
b) Registro secuencial de eventos
c) Registro de falla y oscilografa
d) Debe contar con contrasea de seguridad (password) que restrinja el
acceso al relevador
e) Debe contar con memoria no voltil para que en caso de prdida de
alimentacin de Vcc, no se pierdan los valores de ajuste y configuracin.
f) Debe contar con interfaz humano mquina (IHM).
g) Funcin de auto diagnstico que supervise el funcionamiento del relevador,
verificando al menos: los niveles de tensin de salida de la fuente de
alimentacin interna y el correcto funcionamiento de los convertidores
analgico digital y de los microprocesadores.
h) Sincronizacin del reloj interno.
i) Debe mostrar las magnitudes medidas en las entradas analgicas con las
que cuente el relevador
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Las funciones solicitadas en esta especificacin y las solicitadas en caractersticas
particulares que sean habilitadas para trabajar simultneamente, no deben
interferir entre ellas, ni en sus tiempos de operacin.
3.6.1 Registro de eventos
El relevador debe contar con registros de memoria no voltil del tipo circular para
almacenar cuando menos los ltimos 100 eventos (a menos que se especifique
otro nmero en las caractersticas particulares [13]).
Entre los conceptos que pueden generar un reporte de evento por seleccin del
usuario, se tienen los siguientes:
Cambios en el estado de las entradas y salidas digitales,
Activacin (pick-up) y reposicin (drop-out) de los elementos de
proteccin, medicin, control y monitoreo disponibles en el propio relevador.
Cada evento debe estar asociado adems de su identificador de elemento,
entrada o salida, con una etiqueta de tiempo que debe incluir la fecha (ao, mes y
da) y horario (hora, minuto, segundo y milisegundo) de ocurrencia.
3.6.2 Registro de fallas y oscilografa
El relevador debe contar con registros de memoria no voltil del tipo circular para
almacenar cuando menos los registros de las ltimas 6 fallas (a menos que se
especifique otro nmero en las caractersticas particulares [13]).
Cada registro debe contener la informacin siguiente:
Un reporte oscilogrfico de las corrientes de fase y neutro (s el relevador
cuenta con entradas de tensin, tambin debe incluir las tensiones de fase
a neutro) con un mnimo de 11 ciclos (para una frecuencia de 60 Hz.) de
duracin (2 de prefalla y 9 de falla y posfalla) y con una resolucin cuando
menos de 1/8 de ciclo.
La magnitud de la(s) corriente(s) de falla.
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Seales digitales como: arranque y reposicin de los elementos internos y
de las funciones operadas; estado de las entradas y salidas digitales; y
protecciones operadas,
fecha (ao, mes y da) y horario (hora, minuto, segundo y milisegundo) de
ocurrencia de la falla.
3.6.3 Medicin
Cuando se indique en caractersticas particulares [13], el relevador debe tener la
capacidad de medir, corriente, tensin, ngulo de fase, frecuencia, potencia activa,
potencia reactiva y factor de potencia dependiendo del tipo de entradas
analgicas, los valores medidos tienen que estar referidos al lado primario. Debe
permitir consultar dichas mediciones.
Se requiere una clase de exactitud mxima del 5 % en todas las magnitudes.
Debe contar con una pantalla o display, donde pueda configurarse el despliegue
de todas aquellas magnitudes y variables medidas y/o registradas,
correspondientes tanto a las funciones bsicas como a las opcionales requeridas.
3.6.4 Caractersticas de las entradas analgicas de corriente.
Todas las entradas de corriente deben manejar seales independientes a travs
de terminales de entrada y salida externas, de tal forma que el relevador pueda
ser intercalado en serie en cualquier circuito de corriente.
Las unidades de medicin de corriente, deben estar diseadas para operar bajo
las siguientes condiciones mnimas:
- Corriente nominal (In): 5 A
- Frecuencia nominal: 60 Hz
- Capacidad trmica: 2 x In Permanente.
- 50 x In Por 1 segundo
- Las entradas de corriente deben mantener una caracterstica lineal cuando
menos hasta veinte veces la corriente nominal (5 A x 20 = 100 A).
- El burden mximo debe ser de 1 VA a la corriente nominal.
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3.6.5 Caractersticas de las entradas analgicas de tensin
Las entradas de tensin de corriente alterna, deben estar diseadas para operar
bajo las siguientes condiciones:
- Tensin de operacin nominal: 115 V C.A.
- Frecuencia nominal: 60 Hz
- Sobretensin permanente: 230 V C.A.
- El burden mximo debe ser de 1 VA a la tensin nominal.
3.6.6 Nmero de entradas analgicas
Las entradas analgicas pueden ser utilizadas por una, dos o ms funciones de
proteccin incluidas en el mismo relevador, sin que se demerite o interfiera con la
operacin de dichas funciones.
3.6.7 Salidas de disparo
Las salidas de disparo se utilizan para operar directamente sobre las bobinas de
los interruptores y deben de ser por medio de contacto seco de un dispositivo
electromecnico o mediante salidas de estado slido. No se aceptan SCR.
La capacidad de corriente de los contactos de disparo debe ser como mnimo de 5
A permanentes y soportar 30 A por 200 ms.
La capacidad interruptiva debe ser como mnimo de 25 VA inductivos con una
constante de tiempo (L/R) de 40 ms a 125 Vcc.
3.6.8 Salidas digitales
Las salidas digitales se utilizan para sealizacin, alarma y funciones de
proteccin y control, deben ser programables; por lo que el relevador debe permitir
la reasignacin de dichas salidas a otras funciones o alarmas requeridas.
La capacidad de corriente de los contactos debe ser como mnimo de 5 A
permanentes.
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3.6.9 Entradas digitales
Las entradas deben ser optoacopladas y operar con un valor a partir del intervalo
de 65 % al 80 % de la tensin nominal de operacin. El tiempo para reconocer la
seal de entrada binaria debe ser igual o menor de 4 ms.
3.6.10 Nmero de contactos para salida de disparo
Las salidas de disparo pueden ser utilizadas por una, dos o ms funciones de
proteccin incluida en el mismo relevador, sin que se demerite o interfiera con la
operacin de dichas funciones. La cantidad mnima, debe ser la suma de salidas
requeridas para cada funcin solicitada.
3.6.11 Nmero de contactos de salida digitales
Se requieren las siguientes salidas, programables, independientes y separadas
elctricamente para las indicaciones:
Disparo de proteccin (contacto tipo NA), una por cada funcin de proteccin
solicitada en las caractersticas particulares:
- Falla interna o falta de tensin de alimentacin (contacto tipo NC),
- Dos para lgicas creadas por el usuario,
- Alarma por prdida o desbalance de tensin en las entradas analgicas.
La cantidad mnima, debe ser la suma de salidas digitales indicadas en este
apartado y las requeridas para cada funcin de proteccin solicitada.
Las salidas para indicacin y alarma, pueden ser utilizadas por una, dos o ms
funciones de proteccin, incluido en el mismo relevador, sin que se demerite o
interfiera con la sealizacin de dichas funciones.
3.6.12 Nmero de entradas digitales
Los relevadores de proteccin, deben contar con las siguientes entradas digitales
optoacopladas:
a) Cambio de grupo de ajuste; no se requiere para funciones de proteccin
diferenciales.
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b) Una para utilizarse en lgicas creadas por el usuario.
La cantidad mnima total requerida debe ser la suma de entradas requeridas por
este apartado y para cada funcin de proteccin solicitada.
Las entradas digitales, pueden ser utilizadas por una, dos o ms funciones de
proteccin incluidas en el mismo relevador, sin que se demerite o interfiera con la
operacin de dichas funciones.
3.6.13 Montaje
El relevador debe ser para montaje semi-embutido en lmina o en rack. En todos
los casos deben ser suministrados los herrajes y soportes necesarios para el
montaje de los relevadores.
3.6.14 Caractersticas de la caja
Sus dimensiones deben permitir su instalacin en una seccin de tablero,
ajustndose a lo siguiente:
- Debe estar diseada para soportar ambiente corrosivo.
- Debe contar con una conexin directa a tierra fsica.
- Debe contar con una cubierta que evite la exposicin de sus componentes
internos a polvo, animales u otros agentes nocivos que pudieran provocar
disturbios prematuros, sin que se comprometa sus condiciones normales
operacin y se modifiquen sus caractersticas tcnicas.
El relevador puede ser de cualquiera de las siguientes formas:
a) Totalmente extrable con puenteo automtico de los transformadores de
corriente.
b) Semi-extraible en el cual es extrable nicamente la parte electrnica del
relevador, los transductores de corriente no lo son y deben quedar
integrados a la caja.
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3.6.15 Interfaz humano-mquina (IHM)
El relevador debe contar con indicadores luminosos o LEDs en la parte frontal que
indiquen al menos los siguientes estados:
a) Relevador listo y/o falla interna (encendido indica relevador listo, apagado o
cambio de color, indica falla interna).
b) Relevador operado.
El relevador debe sealizar cuando se produce su operacin, ya sea disparo,
cierre o alarma dependiendo de la funcin asociada al mismo o cuando se
presente una anormalidad en el mismo.
Debe disponer de una indicacin visual en la parte frontal del relevador para
sealizar la operacin de cada una de las funciones de proteccin solicitadas en
caractersticas particulares, por LED o pantalla. En caso de utilizar la pantalla, las
alarmas deben de mostrarse de manera consecutiva sin la intervencin del
usuario. Debe contar por lo menos con dos indicaciones visuales, configurables
por el usuario.
Debe permitir la reposicin local de todas las indicaciones.
En caso de contar con pantalla LCD, debe permitir visualizar el estado, registros
de eventos, alarmas y banderas de operacin de las funciones de proteccin; con
la restriccin de la clave de acceso correspondiente, poder modificar la
configuracin y ajustes sin que se requieran equipos externos para dicha funcin.
3.6.16 Programa (Software) de aplicacin
Debe cumplir con lo siguiente:
a) Estar diseado para permitir la configuracin de las funciones, programacin de
lgicas, ajuste de las funciones de proteccin y la explotacin de la informacin
adquirida o generada por el relevador de proteccin.
b) Operar en un ambiente grfico de ventanas.
c) Permitir realizar la configuracin, utilizando una base de datos de varios
relevadores configurable para distintas subestaciones y tipos de relevador.
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d) Permitir la exportacin e importacin de archivos de oscilografa en formato
COMTRADE conforme con la norma IEC 60255-24 [13], de manera que puedan
ser ledos por cualquier otro software de aplicacin (anlisis y equipo de prueba).
e) Permitir el acceso local y remoto.
f) Permitir la conexin con relevadores que cuenten con puerto Ethernet, desde
cualquier punto de la red LAN utilizando protocolo TCP/IP.
Debe incluir las licencias necesarias para utilizacin institucional en CFE.
3.6.17 Niveles de acceso
El relevador debe contar al menos con dos niveles de acceso. Durante una sesin
de acceso abierta en el relevador, en cualquier nivel, la funcin de proteccin debe
tener prioridad, permitiendo que el relevador opere al presentarse una falla,
debiendo generar todas las banderas, indicaciones y registros que identifiquen el
tipo de falla.
Las sesiones de acceso deben ser a travs de un puerto de comunicaciones por
medio de una unidad de evaluacin local o remota o a travs de la interfaz IHM.
Las contraseas deben poder ser asignadas y/o modificadas por el usuario.
3.6.18 Primer nivel de acceso
Permite el monitoreo del relevador la obtencin y/o visualizacin de mediciones,
registros y ajustes, sin efectuar cambios en los mismos; se debe accesar a este
nivel, en forma directa o a travs de una contrasea de seguridad (password).
El cambio a un n