Conceptos sobre Sistemas Eléctricos de Potencia y Protecciones Pontificia Universidad Católica de Valparaíso Escuela de Ingeniería Eléctrica Curso Protecciones de Sistemas Eléctricos Octubre 2016

Estructura General de un SEP Centrales generadoras Subestaciones elevadoras Sistema de transmisión Subestaciones de Enlace Sistema de subtransmisión Subestaciones receptoras Red de distribución en Media Tensión Red de distribución en BT

Equipos e instalaciones principales en un SEP Turbogeneradores e Hidrogeneradores Transformadores de poder Circuitos de transmisión Interruptores y equipos de maniobra Esquemas de protecciones Esquemas de control y medida

Estructura general de un Sistema Eléctrico de Potencia

Fallas y perturbaciones en un SEP Cortocircuitos por fallas de la aislación dieléctrica Efectos externos (descargas atmosféricas, viento, lluvia, etc.) Fallas en centrales eléctricas (turbinas, calderas) Apertura de fases Contaminación armónica

Efectos sobre las variables del SEP (tensiones y frecuencias) Sobrecorrientes Variaciones de tensión Variaciones de frecuencia Inversión de los flujos de potencia Desequilibrios en tensiones y corrientes Distorsión ondas de tensión y corriente

Rol de las protecciones en un SEP Detectar condiciones de falla o inicio perturbaciones Requisitos básicos: dependabilidad y confiabilidad Dependabilidad: que operen cuando deben Confiabilidad: no operaciones erráticas Rapidez de operación y selectividad

COORDINACIÓN Y SELECTIVIDAD DE PROTECCIONES Selectividad: es la habilidad de un esquema de protección de determinar adecuadamente la ubicación de la falla y aislarla rápidamente. Al momento que ocurra una falla ésta debe ser despejada por los relés adyacentes a la falla, evitando la salida de otras porciones del sistema. El estudio de determinación de ajustes hecho para conseguir esta selectividad, se le conoce como coordinación de protecciones.

CRITERIOS GENERALES DE COORDINACIÓN DE PROTECCIONES Para poder determinar la selectividad de un sistema de protección, dependiendo del tipo de falla que se presente, pudiendo ser, sobrecarga o cortocircuito, se deben considerar los siguientes criterios: Operación ante sobrecargas de acuerdo a curvas tiempo-corriente de modo que mientras mayor sea la sobrecarga el tiempo de operación de las protecciones sea menor. Rápida operación ante cortocircuitos de modo de satisfacer el requisito de selectividad.

SOBRECARGAS Las sobrecargas se detectan en base a la detección de corrientes más altas que los máximos permisibles por una instalación. Para ajustar las protecciones se consideran las curvas de daño de los equipos e instalaciones protegidas, como se muestra en la siguiente figura. Se observa que mientras mayor sea la sobrecarga esta es soportada por menor tiempo por el equipo o componente

CORTOCIRCUITOS Los cortocircuitos producen esfuerzos electrodinámicos y esfuerzos térmicos. El esfuerzo electrodinámico es proporcional al valor peak de la curva mostrada. El esfuerzo térmico es proporcional al área bajo la curva cuadrática de la corriente y representa el calor generado por las altas corrientes.

TIPOS DE CORTOCIRCUITOS

Curva de daño y curva elemento de protección

Algunas protecciones típicas Sobrecorriente de fase, instantánea y con retardo según curva t(I): 50/51 Sobrecorriente residual (mide corriente a secuencia cero):50N/51N Baja tensión o sobretensión (27/59) Direccional de fase y residual (67/67N) Impedancia (21/21N) Diferencial (87) Baja frecuencia (81)

Números ANSI para algunas funciones de protección

Elementos de un esquema de protección Transformadores de corriente y potencial Equipos de protección o relés ( 51, 67,21,87,81,etc.) Interruptores ( 52) Circuitos de control 52 67

Coordinación de protecciones Sistema simplificado con dos sistemas de generación 1 2 B A 52G 3

Coordinación en plano t-I

Protección de Generadores

Protecciones numéricas de circuitos de transmisión

Funciones de protección Protección de líneas y cables Tiempo típico de operación 1.25 ciclos Algoritmos de protección de distancia Incorpora protección direccional de sobrecorriente Esquemas de teleprotección Bloqueo ante oscilaciones de potencia

Protección de sistemas de transmisión TIPOS DE FALLAS -Fallas de aislación entre conductores y estructuras -Agentes externos -Rotura de conductores o apertura de puentes de unión -Descargas atmosféricas Protección de distancia : funciones 21/21N basados en medición de relaciones V/I Esquemas de protección unitarios: Protección diferencial Esquemas de disparo/ bloqueo transferido Protección direccional 67/67N

Protección de subestaciones Protección diferencial de barras

Fallas internas en transformadores Fallas de desarrollo violento - Cortocircuitos a tierra en devanados en Y con neutro a tierra - Fallas a tierra en devanado en delta - Cortocircuitos entre fases - Cortocircuitos entre espiras de una misma fase Fallas incipientes Conexiones deficientes Fallas en aislación laminados del núcleo Descargas parciales en fluído refrigerante

Protección Diferencial de Transformadores Las razones de transformación están normalizados-> casi imposible lograr una comparación adecuada de todas las diferencias mencionadas. Solución: ajustes en las bobinas de retención que permiten realizar una compensación “fina”. La otra alternativa es utilizar transformadores auxiliares de compensación. Circulación de alta corriente de magnetización (Inrush). Esta corriente alcanza su valor más desfavorable cuando al conectar el transformador, en alguna de las fases la tensión del sistema va pasando por cero. Esta corriente no es compensada en los otros enrollados del transformador, lo cual puede producir operación falsa en los relés diferenciales. Para evitarlo se utilizan métodos que impiden la operación del relé diferencial durante algunos segundos posteriores a la energización del transformador en vacío. Uno de estos métodos se basa en la corriente de 2º armónica que aparece al energizar un transformador.

Esquemas de protección diferencial para transformadores Diferencial de fase Diferencial restringida para fallas a tierra

Protección de redes de distribución Fusibles Reconectadores Protección contra sobrecargas y altas corrientes: 51/50 Protección contra cortocircuitos a tierra:51N/50N Protección direccional de sobrecorriente en redes en anillo:67/67N

ESQUEMAS DE PROTECCIÓN 28 ESQUEMAS DE PROTECCIÓN De mas de 1500 HP Motores Síncronos. De hasta 1500 HP

ESQUEMAS DE PROTECCIÓN 29 ESQUEMAS DE PROTECCIÓN Motores de Inducción. De mas de 1500 HP De hasta 1500 HP viernes, 11 de enero de 2019 viernes, 11 de enero de 2019

Protección de rectificadores Sensores de temperatura Sensores de sobrecorriente Relés térmicos (para la corriente de entrada y para motor ventilador) Interruptores automáticos para circuitos de control y ventiladores