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FACULTAD DE INGENIERIA CIENCIAS Y
ADMINISTRACION
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA
TEMUCO PROTECCIONES DE SISTEMAS ELECTRICOS Profesor: Manuel Villarroel Moreno 2008 i INDICE
CAPITULO 1 GENERALIDADES
1.1.
Introducción
1.2.
Necesidad de un sistema de protecciones eléctricas
1.2.1. Consideraciones técnicas
1.2.2. Consideraciones económicas
1.3.
Características de los sistemas de protección
1.3.1. Confiabilidad o seguridad
1.3.2. Selectividad
1.3.3. Rapidez
1.3.4. Exactitud
1.3.5. Sensibilidad
1.3.6. Zonas de operación
1.3.7. Protección de respaldo
1.4.
Fallas de las protecciones
1.5.
Anormalidades que ocurren en los sistemas eléctricos
1.5.1. Cortocircuitos
1.5.2. Sobretensiones
1.5.3. Sobrecargas
1.5.4. Oscilaciones
1.5.5. Desequilibrios
1.6.
Métodos para determinar la ocurrencia de anormalidades
1.6.1. Aumento de la corriente
1.6.2. Disminución de la tensión
1.6.3. Aumento de la tensión
1.6.4. Aumento de la temperatura
1.6.5. Comparación de corrientes
1.6.6. Variaciones de flujos de potencia
1.6.7. Disminución de la impedancia o reactancia
1.6.8. Aparición de componentes de secuencia cero
1.6.9. Aparición de componentes de secuencia negativa
1.6.10. Velocidad de variación de la impedancia
1.7.
Condiciones que debe cumplir un sistema de protección
1.7.1. Independencia de la operación del sistema eléctrico
1.7.2. Discriminar entre carga, sobrecarga y cortocircuito
1.7.3. Discriminar entre falla y perturbación
1.7.4. No ser afectado por anormalidades en los circuitos de control 1
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11
11 CAPITULO 2 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES
2.1.
Introducción
2.1.1. Transformadores de medida (TT/MM)
2.1.2. Relés de protección
2.1.3. Interruptores de poder
2.1.4. Circuitos de control
2.2.
Transformadores de medida (TT/MM)
2.2.1. Objetivos
2.2.2. Transformadores de potencial (TT/PP)
2.2.3. Dispositivos capacitivos de potencial
2.2.4. Transformadores de corriente (TT/CC)
2.3.
Interruptores y circuitos de control
2.3.1. Interruptores de poder o de potencia 12
12
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12
13
13
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35 ii 2.3.2.
2.3.3.
2.4.
2.4.1.
2.4.2.
2.4.3.
2.4.4.
2.4.5. CAPITULO 3 Mecanismos y circuitos de control
Reconexión automática de interruptores
Relés
Tipos de relés según su función
Clasificación de los relés según el tiempo de operación
Componentes y unidades de un relé
Componentes de la unidad de medida
Clasificación de los relés según el principio de funcionamiento del elemento
comparador
2.4.6. Características generales de los relés
2.4.6.1. Relés de comparador móvil
2.4.6.2. Relés estáticos
2.4.7. Identificación de los relés de protección y dispositivos de control 47
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55
56
56 PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE
3.1.
Introducción
3.2.
Características de operación
3.3.
Aspectos constructivos y de funcionamiento
3.3.1. Protecciones de sobrecorriente instantáneas
3.3.2. Protecciones de sobrecorriente de tiempo definido
3.3.3. Protecciones de sobrecorriente de tiempo inverso
3.3.4. Protecciones direccionales de sobrecorriente
3.4.
Aplicaciones de protecciones de sobrecorriente
3.4.1. Selectividad con protecciones de tiempo definido
3.4.2. Selectividad con protecciones de tiempo inverso
3.4.3. Selectividad con protecciones de tiempo inverso e instantáneas
3.4.4. Selectividad con protecciones con retención de voltaje
3.5.
Determinación de ajustes de relés de sobrecorriente. Coordinación de
protecciones
3.5.1. Definición de términos
3.5.2. Reglas generales para calcular los ajustes de los relés de sobrecorriente
3.5.3. Etapas a seguir para calcular los ajustes de los relés de sobrecorriente
3.5.4. Ejemplo de cálculo de ajustes 67
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99 CAPITULO 4 PROTECCIONES DIFERENCIALES
4.1.
Introducción
4.2.
Protección diferencial de barras
4.3.
Protección diferencial de porcentaje
4.4.
Relé diferencial de porcentaje tipo disco de inducción
4.5.
Protección diferencial para máquinas rotatorias
4.5.1. Protección diferencial longitudinal
4.5.2. Protección diferencial transversal
4.6.
Protección diferencial de transformadores de poder
4.7.
Aplicación de la protección diferencial a un trasformador de poder
4.8.
Especificación de ajustes de una protección diferencial de transformador
4.8.1. Cálculo de TAPS
4.8.2. Cálculo del error de TAP
4.8.3. Elección del porcentaje o pendiente del relé
4.9.
Relé diferencial digital 107
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122 CAPITULO 5 PROTECCIONES DE DISTANCIA
5.1.
Generalidades
5.2.
Diagramas R-X y P-Q 124
124
124 iii 5.2.1.
5.2.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
5.7.
5.7.1.
5.7.2.
5.7.3.
5.8.
5.8.1.
5.8.2.
5.9.
5.9.1.
5.9.2.
5.9.3.
5.9.4.
CAPITULO 6 Diagrama R-X
Diagrama P-Q
Impedancia y ángulo característico de las líneas
Conexión del relé para fallas entre fases
Conexión de la protección para fallas monofásicas
Tipos de relés
Relés de distancia simples
Relé tipo impedancia
Relé tipo reactancia
Relé tipo admitancia o tipo mho
Relés de distancia compensados
Relé tipo impedancia compensado
Relé tipo admitancia compensado
Principios generales de aplicación de los relés de distancia
Determinación de la impedancia de ajuste secundaria
Zonas de alcance
Variación del límite de la zona de operación de la protección de distancia
Accesorios complementarios de los relés de distancia 124
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140
141 PROTECCIONES DE SISTEMAS DE DISTRIBUCION
6.1.
Introducción
6.2.
Fusibles
6.2.1. Aplicación de fusibles a la protección de transformadores
6.2.2. Características nominales de fusibles
6.2.3. Estandarización de Curvas tiempo-corriente (EEI-NEMA)
6.3.
Reconectadores Automáticos
6.3.1. Introducción
6.3.2. Clasificación de los Reconectadores
6.3.3. Aplicaciones
6.3.4. Criterios técnicos de aplicación
6.4.
Seccionalizadores
6.5.
Coordinación de elementos de protección
6.5.1. Coordinación de fusibles
6.5.2. Coordinación entre reconectadores y fusibles
6.5.3. Coordinación entre reconectador e interruptor
6.5.4. Coordinación entre reconectador y seccionalizador
6.5.5. Coordinación entre reconectadores 141
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155
156 BIBLIOGRAFIA 157 Ejercicios propuestos 158 CAPITULO 1
GENERALIDADES
1.1. Introducción El desarrollo del proyecto de un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) moderno, así como el estudio
racional de sus normas de operación, debe consultar, básicamente, dos aspectos principales: operación en
condiciones normales y operación en condiciones anormales.
La operación en condiciones normales supone que el sistema cumple con los requisitos necesarios
para servir la demanda del consumo de acuerdo a una cierta calidad prefijada del servicio suministrado. Así,
por ejemplo, el sistema deberá poseer la capacidad de reserva necesaria para poder abastecer los aumentos del
consumo; mantendrá los niveles de voltaje dentro de rangos adecuados; regulará la frecuencia; las cargas se
repartirán entre las diferentes centrales generadoras conforme a la distribución más económica; se mantendrá
en forma adecuada; etc.
La operación normal de un sistema no considera la ocurrencia de fallas, ni la presencia de fenómenos
incontrolables como tormentas y descargas atmosféricas, o los errores cometidos por los operadores.
Cuando el sistema está bajo el efecto de uno de estos factores se dice que está operando bajo
condiciones anormales y en este caso pueden ocurrir dos fenómenos de importancia:
− El equipo o parte del sistema, puede sufrir daños de consideración si la intensidad y la duración de la
perturbación exceden magnitudes determinadas. − La calidad del servicio suministrado se resiente gravemente. Frente al problema de operación anormal, el proyectista de un sistema eléctrico de potencia puede
adoptar dos puntos de vista:
− Incorporar al diseño ciertas características que eliminen la posibilidad de fallas. − Permitir la ocurrencia de las fallas incluyendo en el proyecto características y elementos que reduzcan
el daño causado por las mismas. La primera solución es prácticamente imposible o por lo menos, no justificable económicamente. En
la mayoría de los casos, se sigue el criterio de permitir la ocurrencia de ciertas fallas y tratar de aminorar sus
efectos tanto en el equipo instalado como en la calidad del servicio suministrado. Un diseño moderno
consulta ambas soluciones en la proporción que los estudios económicos aconsejen.
Los sistemas de protecciones eléctricas constituyen el equipo más importante que se incluye en un
sistema eléctrico de potencia con el fin de alcanzar el último objetivo, esto es, aminorar los efectos de las
fallas sobre el equipo protegido desenergizándolo rápidamente y mejorar la calidad del servicio al eliminar o
aislar aquellos elementos que por su operación defectuosa puedan producir perturbaciones.
Con el notable crecimiento de los sistemas eléctricos en los últimos años, el aumento de
interconexión, el alto costo del equipo instalado y las exigencias cada vez mayores de un suministro de
energía eléctrica seguro y de óptima calidad, la técnica de las protecciones eléctricas ha debido
necesariamente perfeccionarse en forma paralela, pues, como ya se ha dicho, son ellas, en gran parte, las
responsables de esas características deseables. Por esto, un diseño cuidadoso del sistema de protecciones y la
elección adecuada de sus componentes es considerado, hoy en día, de una importancia fundamental en la
operación de los sistemas eléctricos. 2 1.2. Necesidad de un sistema de protecciones eléctricas Las protecciones eléctricas son los dispositivos que tienen como principal finalidad la de detectar
condiciones anormales en la operación de un Sistema Eléctrico de Potencia y tomar en forma automática las
medidas que se requieran para restablecer la operación normal.
En el caso de fallas en equipos eléctricos, la medida será retirarlos del servicio y, en el caso de fallas
en un sistema eléctrico, será necesario aislar el sector que produce la anormalidad. Durante la operación
normal de los sistemas eléctricos, las acciones están entregadas al hombre o a equipos automáticos que
desempeñan su función dentro de límites determinados, en cambio, las protecciones no son requeridas en
condiciones normales pero deben estar disponibles inmediatamente para manejar condiciones intolerables
para el sistema y evitar daños mayores o paralizaciones no deseadas.
1.2.1. Consideraciones técnicas
Como se ha dicho, todos los sistemas eléctricos, sean Industriales, Residenciales o de Servicio
Público, tienen el propósito común de suministrar energía eléctrica a los equipos que la utilizan, en la forma
más segura y confiable que sea económicamente factible. Es decir, se requiere contar con un sistema eléctrico
de buena calidad y sin interrupciones. En efecto, la sociedad moderna presenta una gran variedad de usos y
también de usuarios de la energía, a tal punto que para algunos de ellos llega a ser de vital importancia contar
con una buena continuidad del servicio eléctrico. A modo de ejemplo se puede citar los ascensores de grandes
edificios; los pabellones quirúrgicos, incubadoras y otros equipos de los hospitales; las redes de computación;
los hornos de la minería; los sistemas de ventilación de galerías subterráneas y una larga lista de equipos que
dependen directamente de la energía eléctrica.
Dentro de los aspectos generales que caracterizan una buena calidad del servicio se encuentran la
adecuada regulación de voltaje (bandas de ± 5 y ± 6 %) y de frecuencia (bandas de ± 0,4 a ± 2 %), además de
una cantidad de interrupciones mínima.
El tema de las protecciones es tan básico para la seguridad y confiabilidad del suministro de energía,
que debería ser considerado desde el comienzo en cualquier proyecto bien diseñado y no ser relegado a un
segundo lugar, para considerarlo después que se han fijado las demás características del SEP. De esta forma,
resulta sistema de protecciones bien integrado, capaz de ser adecuadamente coordinado y lo suficientemente
flexible como para acomodarse a las futuras expansiones del sistema.
1.2.2. Consideraciones económicas
Por lo general, el costo del sistema de protecciones es bastante pequeño comparado con el costo de
SEP completo. Se estima entre 0,5 y 10% de la inversión total, creciendo el porcentaje mientras más pequeño
sea el sistema eléctrico. Aún así, el costo de las protecciones puede minimizarse diseñando un sistema simple
que garantice obtener y conservar una buena protección, lo que a su vez permite disminuir el costo del
servicio y evitar la necesidad de efectuar complejas y costosas pruebas.
Durante la operación, las protecciones tienen incidencia sobre dos aspectos de orden económico, a
saber:
− Continuidad del servicio: A mayor continuidad, mayores son las ventas de energía y en
consecuencia los ingresos de todos los operadores del sistema. También representa mayor producción
para aquellas empresas en que la electricidad sea su principal insumo. − Despeje de fallas: En la medida que las fallas sean despejadas en forma oportuna y rápida se
causarán menores daños a los equipos e instalaciones, con lo cual serán menores los costos de
reparación y menores los tiempos de paralización. 3 1.3. Características de los sistemas de protección Las características de un sistema de protecciones se analizan principalmente bajo el punto de vista de
su operación en condiciones de anormalidad, siendo las principales las que se indican a continuación.
1.3.1. Confiabilidad o seguridad
Es la característica que permite garantizar la operación de las protecciones, cada vez que se produzca
una falla. Complementando esta definición se puede agregar que es la característica del relé o del sistema de
protecciones que le permite actuar correctamente cuando es requerido y evitar operaciones innecesarias.
Cuando se presenta la anormalidad, las protecciones deben estar en condiciones de operar correctamente. En
algunos casos, es posible que ciertos equipos sean requeridos muy pocas veces durante su vida útil, pero aún
en estas condiciones deberán operar en forma correcta. Para lograr esta cualidad se debe recurrir a diseños
simples, con componentes robustos y de buena calidad, que sean periódicamente sometidos a mantención
para comprobar que se encuentran bien calibrados, bien conectados y que la orden que emitan sea cumplida
por los sistemas de control.
1.3.2. Selectividad
Es la cualidad de las protecciones que les permite discriminar la ubicación de la falla, con el objeto de
aislar exclusivamente el equipo fallado, manteniendo en servicio lo que no sea imprescindible desconectar.
De este modo se obtiene la máxima continuidad del servicio con un mínimo de desconexiones.
1.3.3. Rapidez
Es conveniente que las protecciones operen en el mínimo tiempo posible, disminuyendo con ello la
duración de la falla, las perturbaciones al resto el sistema y los consecuentes daños a los equipos. La rapidez
redunda también en una mayor efectividad de las reconexiones automáticas y mejora la estabilidad del
sistema. Aunque es deseable la operación instantánea de las protecciones, muchas veces esta cualidad debe
sacrificarse con el objeto de mejorar otros aspectos, tales como la selectividad. La temporización en todo caso
debe ser compatible con los límites de resistencia de los equipos a las fallas consideradas y su empleo para
obtener selectividad está asociado a otra característica que siempre debe considerarse, como es la economía.
1.3.4. Exactitud
Las protecciones deben operar con la mínima desviación respecto de la magnitud teórica de ajuste. La
exactitud, se expresa como un error de medida, es decir, como la razón entre el valor de operación y el valor
teórico de ajuste. Las desviaciones máximas aceptadas varían entre un 5 y un 10%, según el caso.
1.3.5. Sensibilidad
El sistema de protecciones y sus elementos asociados debe ser capaz de operar detectando la falla de
mínimo nivel que ocurra dentro de su zona de operación o la menor variación de la magnitud que controla
respecto de la magnitud de referencia o ajuste. Esto no siempre es posible en la práctica. Por ejemplo, en
períodos de sequía o en la época de verano, cuando cae una fase a tierra (pavimento) se producen fallas de
muy baja corriente, las que pueden no ser detectadas por las protecciones.
Puesto que no es posible satisfacer plenamente cada uno de estos requerimientos en forma
simultánea, deben adoptarse algunas soluciones de compromiso. En general se otorga mayor atención a
aquellos problemas que de acuerdo a la experiencia es posible que ocurran. De aquí que se diga que el tema
de las protecciones tiene mucho de técnica pero es también un arte. De hecho, diferentes especialistas
utilizando una lógica razonable pueden llegar a soluciones significativamente diferentes para un mismo
problema.
Considerando en su conjunto a las distintas protecciones de un SEP, aparecen dos características
adicionales que es necesario tener presentes. 4 1.3.6. Zonas de operación
Las protecciones del SEP abarcan ciertas zonas de operación según su tipo. Es conveniente que entre
las zonas de operación de dos protecciones contiguas no queden sectores sin cubrir por alguna de ellas. Para
este efecto se deben superponer los bordes de las zonas contiguas y por lo tanto, no se acepta que sean
tangentes. La Figura 1.1 muestra el Diagrama Unilineal de un sistema, indicando las zonas de protección. 5 M M 5 3
4
4 3 2 3 1 2 G 3 4 4 1
2 G 4
G
1
3 4 4 3 3 1 Generador o unidad generador-transformador
2 Transformadores
3 Barra de subestaciones 4 Líneas de transmisión o distribución
5 Motores Figura 1.1.- Diagrama unilineal de un sistema indicando sus zonas de protección
1.3.7. Protección de respaldo
Si al producirse una anormalidad en el SEP, la protección encargada de aislar la zona (llamada
protección principal) no opera, los daños a los equipos serían mayores y la falla se propagaría por el resto del
sistema con las consecuencias previsibles. Para que esto no ocurra se utiliza el respaldo, es decir, otra
protección deberá ser capaz de detectar la falla y aislarla, aún a costa de dejar fuera de servicio equipos o
sectores en condiciones normales. Donde más se aplica esta técnica, por razones económicas es en el caso de
los cortocircuitos. Según la ubicación de la protección que da respaldo, este puede ser local o remoto.
a. Respaldo Local Se ubica en la zona protegida y puede ser del tipo duplicación de la protección completa o parte de
ella. Puede ser también del tipo adicional, tal como un relé temporizado, por ejemplo. 5 b. Respaldo Remoto Este tipo de respaldo lo proporciona una protección ubicada en otro punto del SEP. Por lo general,
esta protección es del tipo principal en su zona de operación.
1.4. Fallas de las protecciones Como un antecedente adicional para justificar el respaldo a las protecciones se entrega un resumen
estadístico del tipo de falla de las protecciones.
Fallas de los relés 43 % Falla de interruptores 20 % Falla de transformadores de medida 10 % Falla de dispositivos auxiliares
Fallas de alambrado
Fallas de la alimentación 9%
12 %
6% Contactos sucios, bobinas cortadas, ajustes erróneos,
calibración incorrecta.
Bobinas quemadas, fallas mecánicas, falla de los contactos
de poder, otros problemas de bobinas.
Fusibles quemados, saturación de núcleos, problemas de
bobinados, fallas de aislación
Contactos sucios, conexiones incorrectas
Mala aislación, conexiones sueltas e incorrectas
Fusibles quemados, bajo voltaje En el resumen anterior, no se incluyen otros tipos de problemas que pueden presentarse, tales como:
Ajustes mal especificados, errores de cálculo, errores en los datos de los transformadores de medida, etc.
Por otra parte, los diferentes tipos de operación de una protección se pueden clasificar según el efecto
obtenido de ellas, en la forma siguiente:
−
−
−
− Operaciones correctas y deseadas
Operaciones correctas pero no deseadas (como las de respaldo)
Operaciones incorrectas
No operación La confiabilidad general ...
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