PROTECCION FUNDAMENTOS Y PRINCIPIOS BÁSICOS DE DISEÑO.

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1 PROTECCION FUNDAMENTOS Y PRINCIPIOS BÁSICOS DE DISEÑO

2 1. INTRODUCCIÓN La mejor técnica de protección ahora y por más de 50 años es la conocida como protección diferencial. Si la red entre todos los diversos circuitos es cero, se asume que no existe falla o problema intolerable. Sin embargo, si la red no es cero, existe un problema interno y la corriente de diferencia puede operar los relés asociados. 2. PRINCIPIO DIFERENCIAL Figura 6.1 Esquema diferencial de corriente básico ilustrado para la protección de una zona con dos circuitos: (a) condiciones normales, IOP=Ie''+Ie' ; (b) falla interna IOP=IF1+IF2-Ie'+Ie''.

3 2- GENERALIDADES El principio de funcionamiento de todas las protecciones diferenciales se basa en la comparación entre la corriente de entrada y la de salida, en una zona comprendida entre dos transformadores de medida, de tal forma que, si la corriente que entra en la zona protegida no es la misma que la que sale significará que existe algún defecto, por consiguiente circulará una determinada intensidad por el relé provocando el disparo del mismo. Cuando la corriente que entra es igual a la que sale, no circulará corriente por el relé y por tanto este no actuará.

4 La protección diferencial, por lo tanto, resulta ser eminentemente selectiva, ya que no responde a fallas que no estén comprendidas en su zona de influencia, es decir entre los dos juegos de transformadores de corriente.

5 FIGURA 6.2 Relé de diferencial porcentual: (a) fallas externas; (b) fallas internas. La Figura 6.2 es un esquema simplificado de este tipo de relé para dos circuitos, como se muestra en la Figura 6.1. Los secundarios de los CTs están conectados a los bobinados de retención R y las corrientes en estas operaciones de inhibición. Asociado a estos bobinados de restricción está el OP de bobinado operativo. La corriente en este bobinado tiende a operar el relé. Los relés diferenciales pueden ser de porcentaje fijo o variable, y las características típicas se ilustran en la Figura 6.3.

6 FIGURA 6.3 Características de corriente típicas a través de varios relés de tipo diferencial. Es importante reconocer que las características, como las que se muestran en la Figura 6.3, se aplican solo a fallas externas o a través del flujo de corriente. Las corrientes de captación típicas para los relés diferenciales son del orden de 0.14-3.0 A, según el tipo, el tap y la aplicación.

7 3. PROTECCIÓN A DISTANCIA DE SOBREINTENSIDAD Y PROBLEMA DE PROTECCIÓN BÁSICA Una de las formas de detectar una anormalidad en un sistema eléctrico de potencia es medir su impedancia o reactancia, en un punto dado. Para este fin, la información de voltajes y corrientes se entrega a relés de protección que miden en todo instante la impedancia o reactancia por fase en el sentido de operación y que actúan cuando sus magnitudes bajan de un cierto valor. A las protecciones que operan bajo este principio se les denomina: “Direccionales de distancia” y se emplean principalmente en la protección de líneas de transmisión. Puesto que la impedancia de una línea de transmisión es proporcional a su longitud, para medir "distancias" se utiliza un relé capaz de medir la impedancia de la línea hasta un cierto punto. Puesto que la impedancia de una línea de transmisión es proporcional a su longitud, para medir "distancias" se utiliza un relé capaz de medir la impedancia de la línea hasta un cierto punto.

8 La protección de distancia mide la impedancia de falta, es decir, la impedancia de la línea desde la posición de la protección hasta la falta. Esta impedancia es proporcional a la longitud de la línea hasta la falta, cuanto más cerca está la falta, menor es la impedancia de falta. La protección determina la impedancia de falta, mediante la medida de la tensión y corriente de cortocircuito. 3. PROTECCIÓN A DISTANCIA

9 Para obtener la selectividad deseada la protección de distancia no puede ser ajustada para cubrir el total de la línea es por esto que se ajusta una primera zona para cubrir aproximadamente el 80% de la línea, cuando la impedancia medida sea inferior a este valor se considerará falta cercana. La segunda zona cubrirá hasta el 120% de la línea, cuando la impedancia medida se encuentra en esta zona se considera falta lejana por lo que se seleccionará un tiempo de retardo que permita la coordinación con otras protecciones.

10 En la Figura 6.5. Los relés en la estación G para la protección de la línea GH deben operar rápidamente para todas las fallas en el área entre los dos terminales de línea. Este es la zona de protección primaria para los relés en G y los relés similares en H. La falla F1 está en esta zona primaria, pero las fallas F y F2 son externas y deben ser eliminadas por otra protección. Si la falla remota está en F1, deberían operar rápidamente y si esta en F o F2 deberían retrasarse. Por lo tanto, el problema es Por lo tanto, el problema es distinguir la falla interna F1 de las fallas externas F y F2. Hay dos soluciones posibles: (1) tiempo o (2) comunicación. (1) tiempo o (2) comunicación. FIGURA 6.5 Problema de protección para relés de protección en la estación G para la línea GH.

11 4. PROTECCIÓN DE SOBREINTENSIDAD La protección de sobreintensidad se basa en la medida de las intensidades de fases y neutro en una posición del sistema eléctrico, evitando que se alcancen valores que puedan dañar los equipos instalados. Controla la intensidad de paso por el equipo protegido y cuando el valor es superior al ajustado en el relé, se produce el disparo del interruptor. Es importante tener en cuenta que la mayoría de los equipos eléctricos, líneas aéreas, cables subterráneos, transformadores, motores, generadores, reactancias y banco de condensadores se caracterizan por tener una curva de daño. Esta gráfica indica que intensidades ligeramente elevadas pueden ser soportadas bastante más tiempo que intensidades muy elevadas cuyo efecto es perjudicial si se mantiene un poco más del tiempo admisible

12 Si al equipo eléctrico considerado se le aplica una intensidad I F durante un tiempo t I_F resultará dañado ya que se alcanza su curva de daño. Debe evitarse, por tanto, que se superen intensidades excesivas durante demasiado tiempo, por lo que el equipo eléctrico debe ser utilizado lejos de su curva de daño.

13 Es precisamente la misión de la protección de sobreintensidad, impedir que sea superada la curva de daño del equipo protegido, dando orden de disparo al interruptor correspondiente. Esto se consigue dotando a la protección de sobreintensidad de una característica de disparo situada claramente por debajo de la curva de daño Así, para una intensidad I F se disparará la protección en el tiempo t I_F sin que se alcance la zona de daño del equipo.

14 LAS PROTECCIONES DE SOBREINTESIDAD SE CLASIFICAN EN FUNCIÓN DE SU CARACTERÍSTICA DE DISPARO EN INSTANTÁNEOS Y TEMPORIZADOS: 4.1. INSTANTÁNEOS Los relés instantáneos no tienen dispositivo de retardo, o sea, su actuación se produce en cuanto la magnitud eléctrica controlada alcanza el valor de ajuste. Si la intensidad es inferior o igual a I>> el relé no dispara, si la intensidad es mayor que I>> el relé dispara transcurrido un tiempo igual a t I>>, que en relés modernos es del orden de milisegundos, considerándose por lo tanto prácticamente instantáneo.

15 4.2. TEMPORIZADOS En estos relés la actuación se producirá después de un cierto tiempo a partir del instante en que la magnitud controlada alcance el valor ajustado. Pueden ser relés de retardo independiente (de tiempo fijo) o relés de retardo dependientes. Como se puede observar en la figura para un valor menor de I p el relé no dispara, cuando el valor de la corriente se encuentra entre los valores I p e I>>, la curva de disparo es inversa, y el disparo se hará transcurrido un tiempo t I_F que es dependiente de el valor de la corriente. En el siguiente periodo cuando la corriente supera el valor I>> el relé se comporta como uno de tiempo independiente, es decir el tiempo de operación se reduce a t I>>.

16 5. PROTECCIÓN DE SOBREINTENSIDAD DIRECCIONAL La protección de sobreintensidad puede ser usada para medir no solamente la magnitud de la intensidad sino también su sentido; es decir, el sentido del flujo de la potencia entregada, para lo cual se toma como referencia la tensión del sistema, Esta protección tiene diversas aplicaciones como protección principal de líneas aéreas y cables, de transformadores de distribución, motores entre otras muchas. También es usada como protección de respaldo para transformadores de potencia y generadores grandes y como protección de emergencia para protecciones de distancia y diferenciales de línea.

17 Según la falla representada en el esquema, el funcionamiento de las protecciones es el siguiente: -Arrancan todas las protecciones. -En la protección 3 queda bloqueado el disparo, dado que el flujo de intensidad hacia la falta tiene dirección contraria a la ajustada. -La protección 2 dispara ya que el flujo de intensidad hacia la falta coincide con la dirección ajustada y el tiempo configurado de disparo es de 0 ms (instantánea). -Al disparar la protección 2, el flujo de intensidad aportado por la segunda línea hacia la falta queda interrumpido, es por esto que la protección 4 se repone. -Por último dispara la protección 1 tras transcurrir el tiempo de coordinación ajustado de 300 ms.

18 6. Diagrama R-X En este diagrama, compuesto por un par de ejes ortogonales, se lleva en la abscisa, la resistencia R y en la ordenada, la reactancia X, de modo que cada punto del plano así formado representa una impedancia que queda determinada por su distancia al origen (módulo Z) y por el ángulo ϕ que forma con la abscisa, tal como se muestra en la Figura 1. La Figura 2 muestra el diagrama fasorial voltaje-corriente, donde se ha situado a la corriente como fasor de referencia, es decir, en el eje horizontal, con el fasor voltaje desfasado un ángulo ϕ. De esta forma, ambos diagramas son absolutamente compatibles.

19 Puede observarse, comparando ambas figuras, que el ángulo ϕ representa exactamente lo mismo en todas ellas. El diagrama R-X permite superponer en un mismo gráfico los parámetros R, X y Z de las líneas, máquinas, transformadores, etc., así como los valores de voltaje, corriente y ángulo de cualquier punto de sistema, de acuerdo con las relaciones siguientes:

20 7. RELÉS DE MICROPROCESADOR DE ESTADO SÓLIDO El término solido se refiere a que el relé no tiene partes móviles. Su diseño está basado en el uso de elementos electrónicos análogos en vez de bobinas e imanes para crear la característica del relé. Las primeras versiones utilizaron elementos discretos como transistores y diodos en conjunto con resistencias, condensadores, inductores, etc., pero los avances de la electrónica permitieron el uso de circuitos integrados lineales y digitales en las versiones posteriores para el procesamiento de las señales e implementación de funciones lógicas.

21 (1) transformadores de entrada que reducen las cantidades de corriente y voltaje del sistema de potencia a bajos voltajes y proporcionan filtrado de primer nivel; (2) filtro de paso bajo que elimina el ruido de alta frecuencia; (3) amplificador de muestreo sostenido que muestrea y retiene las señales analógicas en el momento de intervalos determinados por el reloj de muestreo para preservar la información de fase; (4) multiplexor que selecciona una señal de muestreo a la vez para su posterior escalado y conversación a digital; (5) amplificador de ganancia programable para señales de corriente que tienen un para señales de corriente que tienen un amplio rango dinámico (para señales de voltaje, la ganancia es 1); (6) Convertidor analógico a digital que convierte las señales analógicas en digital; (7) microprocesadores con el software apropiado que proporciona características de protección requeridas que características de protección requeridas que se amplifican para operar auxiliares unidades se amplifican para operar auxiliares unidades para disparar, cerrar, alarmas, etc. FIGURA 6.18 Unidades lógicas típicas en un relé de microprocesador.