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UNIVERSIDAD DE CHILE

FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELCTRICA

EVALUACIN DE ESQUEMAS DE PROTECCIN EN REDES DE BAJA TENSIN

CON PENETRACIN DE GENERACIN DISTRIBUIDA

MEMORIA PARA OPTAR AL TTULO DE INGENIERO CIVIL ELCTRICO

JAIME IGNACIO GALLEGOS ESPINOZA

PROFESOR GUA:

GUILLERMO JIMNEZ ESTVEZ

MIEMBROS DE LA COMISIN:

CLAUDIA RAHMANN ZIGA

NELSON MORALES OSORIO

SANTIAGO DE CHILE

SEPTIEMBRE 2014

RESUMEN DE LA MEMORIA

PARA OPTAR AL TTULO DE

INGENIERO CIVIL ELCTRICO

POR: JAIME GALLEGOS ESPINOZA

FECHA: 22-09-2014

PROF. GUA: GUILLERMO JIMNEZ ESTVEZ

EVALUACIN DE ESQUEMAS DE PROTECCIN EN REDES DE

BAJA TENSIN CON PENETRACIN DE GENERACIN

DISTRIBUIDA

El avance en el desarrollo de tecnologas de GD ha permitido la introduccin de pequeas

unidades de generacin que aprovechan fuentes de energa convencionales y no

convencionales a la red de baja tensin. Los beneficios que presenta la masificacin de la GD

desde el punto de vista medioambiental, social y tcnico hacen que surja la necesidad de

derribar las barreras que conlleva la incorporacin de este tipo de tecnologas a la red de

distribucin.

En sta memoria es de particular inters el estudio de la convivencia entre la integracin de

GD y los sistemas de proteccin, teniendo como objetivo general formular una metodologa

que permita resolver la problemtica asociada. Dicha metodologa considera atributos como

selectividad, sensibilidad, calidad de servicio y asimismo da cuenta de problemas como

prdida de coordinacin y operacin en isla, entre otros.

Para validar la metodologa se implementaron dos redes de estudio en el software DigSILENT

Power Factory 15: un alimentador rural correspondiente al rea tpica 3 y uno urbano

residencial perteneciente al rea tpica 1, provistos por Conafe y Chilectra respectivamente.

Se integraron como tecnologas de generacin PV y Cogeneracin (CHP). Ante esto se

analiz el escenario de demanda correspondiente al punto de mayor radiacin para el caso de

generacin PV y de demanda valle para el caso de CHP. Por otro lado se implementaron dos

esquemas de proteccin en cada una de las redes: fusibles y rels direccionales.

La integracin de generacin fotovoltaica no produjo problemas en las redes protegidas por

fusibles, incluso hasta con un 100% de penetracin debido a su poco aporte al cortocircuito.

Por otro lado, los generadores sincrnicos (CHP) produjeron que se perdiera sensibilidad y

selectividad en ambos alimentadores.

El esquema de rels direccionales respondi de manera sensible y selectiva ante la integracin

del 100% de ambas tecnologas dado el carcter programable de estos dispositivos. Sin

embargo, lleva al sistema a formacin de islas. El transitorio hacia este nuevo estado lleva a

la red a estabilizarse en valores aceptables a partir del 60% de penetracin en la red urbana y

80% en la red rural.

Como trabajo futuro se propone la integracin de generacin elica como GD con el fin de

analizar el efecto en las protecciones de su aporte al cortocircuito. Desde el punto de vista de

la formacin de islas se propone realizar un anlisis de esquemas de control de frecuencia y

tensin y adems evaluar esquemas de proteccin en la red aislada.

Agradecimientos

A mi familia, principalmente a mi familia, ya que adems de ser mi soporte econmico

tambin han sido mi soporte emocional y afectivo, siempre estuvieron ah cuando los necesit

y desde que tengo memoria no han permitido que nada me falte. Mam, pap, abuelas y

hermano, gracias infinitas. Este ttulo se los debo y dedico a ustedes.

A mis amigos de Rancagua, los de siempre. Estuvieron ah en cada momento y me brindaron

alegra y grandes momentos. Aguante Carlos, si a alguien le debo mucho es a ti.

A mis amigos de la U. Los conoc en esta casa de estudios y con ellos me quedo. Una de las

cosas ms importantes que me llevo de mis 6 aos y medio de carrera. Ramiro, Toms, Pelao

y Maripoli. Gracias por todos esos viernes, y tambin por los lunes, martes, mircoles y

jueves. Tambin por la compaa y buena onda de siempre. Grandes valores.

A mis compaeros de elctrica. A todos aqul que salud por los pasillos del DIE alguna vez.

A todos y cada uno de los que me haya contado sus historias y compartido risas espontneas

conmigo. A los que me ayudaron y ayud. A aquellos que hicieron de la cotidianeidad y carga

acadmica de la carrera algo ms llevadero. Gracias.

A todo aqul que comparti algn momento conmigo, aunque fuese corto e insignificante. En

la terraza, en la cancha, en la cafetera, en los pastos, en el DIE, en un laboratorio, en un ramo,

etc. Nunca olvidar sus caras ni lo lindo que es saludar una persona nueva cada instante y

compartir opiniones y vivencias. Esta es una de las cosas ms enriquecedoras de estudiar en la

universidad.

A todo el entorno universitario, que permiti que pasara los mejores aos de mi vida ac en

Beauchef. Me refiero al pelao de Domeyko con Club hpico, a la Sonia, a Bernardita, a don

Villa, y funcionarios en general. Gracias.

A mi profesor gua Guillermo Jimnez, por acogerme y ayudarme a lo largo de este trabajo de

ttulo. A don Jaime Cotos y su paciencia y ayuda infinita de comienzo a fin en esta memoria.

En general a cada uno de los profesores que me entreg algo de su experiencia y

conocimiento durante mi carrera. Cada cosa aprendida la atesoro y la guardar como una

herramienta para mi futuro. Tuve el privilegio de aprender de gente muy inteligente y capaz.

A mi polola, Roco. Eres lo mejor y desde que estoy contigo te has tomado todos los espacios

de mi almita. Gracias a ti por ser como eres y por todo lo que me has dado. Si a alguien

recurr en cualquier momento de flaqueza durante mi carrera y sobre todo durante esta

memoria fue a ti. Mi compaera, mi apoyo emocional, mi amor. Te debo el universo, pero

tengo una vida para pagrtelo.

Gracias a todos, y salud.

Tabla de contenido

Captulo I: Introduccin ............................................................................................................. 1

1. Motivacin .......................................................................................................................... 1

2. Objetivo general ................................................................................................................. 3

3. Objetivos especficos .......................................................................................................... 3

4. Alcances.............................................................................................................................. 3

Captulo II: Antecedentes sobre generacin distribuida y sistemas de proteccin .................... 4

1. Qu es la generacin distribuida? ..................................................................................... 4

2. Clasificacin de la generacin distribuida .......................................................................... 4

2.1. Segn potencia ............................................................................................................. 5

2.2. Segn uso de la energa ............................................................................................... 5

2.3. Segn tecnologa .......................................................................................................... 6

2.3.1. Generacin convencional ..................................................................................... 6

2.3.2. Generacin no convencional ................................................................................ 7

3. Beneficios del desarrollo de la GD ................................................................................... 11

3.1. Produccin, prdidas y construccin ......................................................................... 11

3.2. Aspectos medioambientales ....................................................................................... 11

3.3. El consumidor y la generacin distribuida................................................................. 12

4. Sistemas de proteccin ..................................................................................................... 14

4.1. Caractersticas generales de un esquema de protecciones ......................................... 14

4.2. Elementos bsicos de un sistema de proteccin de sobrecorriente en redes de

distribucin ........................................................................................................................... 16

4.2.1. Fusible ................................................................................................................ 16

2.1.1. Reconectador ...................................................................................................... 17

2.1.2. Rel de sobrecorriente ........................................................................................ 19

2.1.3. Rel direccional .................................................................................................. 21

2.2. Coordinacin de dispositivos de proteccin de sobrecorriente.................................. 23

2.2.1. Coordinacin de rels en sistemas radiales ........................................................ 24

2.2.2. Coordinacin de rels en sistemas con mltiples fuentes................................... 25

2.2.3. Coordinacin de rels redes enmalladas con mltiples fuentes ......................... 26

2.2.4. Coordinacin fusible-fusible .............................................................................. 27

3. Impactos de la generacin distribuida en los sistemas de proteccin .............................. 29

3.1. Efectos en las protecciones de sobre corriente .......................................................... 29

3.1.1. Contribucin a la corriente de falla .................................................................... 29

3.1.2. Operacin en isla ................................................................................................ 30

3.1.3. Prdida de coordinacin de protecciones ........................................................... 31

4. Esquemas de proteccin inteligentes ................................................................................ 32

4.1.1. Esquema adaptativo centralizado ....................................................................... 32

4.1.2. Esquema adaptativo descentralizado .................................................................. 36

Captulo III: Metodologa y casos de estudio ........................................................................... 38

1. Aspectos generales ........................................................................................................... 38

2. Definiciones importantes .................................................................................................. 40

2.1. Nivel de penetracin .................................................................................................. 40

2.2. Selectividad ................................................................................................................ 41

2.3. Sensibilidad ................................................................................................................ 41

3. Redes de estudio ............................................................................................................... 42

3.1. Red BT 12215 Chilectra - Urbana ............................................................................. 42

3.2. Red BT 3333 CONAFE - Rural ................................................................................. 45

4. Esquemas de proteccin de estudio .................................................................................. 48

4.1. Esquema de fusibles Red urbana ............................................................................ 48

4.2. Esquema de fusibles Red rural ................................................................................ 52

4.3. Esquema basado en rels de sobrecorriente direccional ............................................ 56

5. Definicin de escenarios ................................................................................................... 64

6. Metodologa de simulaciones ........................................................................................... 67

Captulo IV: Resultados y anlisis de los casos de estudio ...................................................... 69

1. Comportamiento dinmico GD ........................................................................................ 69

1.1. CHP Generador sincrnico ..................................................................................... 69

1.2. PV- Inversor ............................................................................................................... 70

2. Esquema de fusibles ......................................................................................................... 72

2.1. Red urbana ................................................................................................................. 72

2.1.1. PV Inversor ...................................................................................................... 72

2.1.2. CHP Generador sincrnico .............................................................................. 73

2.1.3. Anlisis de resultados ......................................................................................... 77

2.2. Red rural .................................................................................................................... 78

2.2.1. PV Inversor ...................................................................................................... 78



3. Esquema de rels .............................................................................................................. 85

3.1. Red urbana ................................................................................................................. 85



3.2. Red rural .................................................................................................................... 95


3.2.2. Anlisis de resultados ....................................................................................... 104

4. Anlisis global ................................................................................................................ 105

Captulo V: Conclusiones y trabajo futuro ............................................................................. 107

1. Conclusiones ................................................................................................................... 107

2. Trabajo futuro ................................................................................................................. 109

Bibliografa ............................................................................................................................. 110

Anexos .................................................................................................................................... 134

1. Red BT 12215 Chilectra Clientes ................................................................................ 134

2. Red BT 12215 Chilectra Topologa............................................................................. 136

3. Red BT 3333 CONAFE - Clientes ................................................................................. 137

4. Red BT 3333 CONAFE Topologa ............................................................................. 139

5. Modelamiento de generacin distribuida ....................................................................... 140

5.1. PV- Inversor ............................................................................................................. 140

5.2. CHP Generador sincrnico ................................................................................... 142

5. Corrientes de cortocircuito para coordinacin de fusibles y rels Red BT 12215

Chilectra ................................................................................................................................. 143

6. Corrientes de cortocircuito para coordinacin de fusibles y rels Red BT 3333 Conafe

144

7. Detalle fusibles ............................................................................................................... 145

7.1. Red urbana ............................................................................................................... 145

7.2. Red rural .................................................................................................................. 146

8. Corriente pick-up rels para cada caso de estudio (Ipset) y Transformadores de

corriente/potencial .................................................................................................................. 147

8.1. Red urbana ............................................................................................................... 147

8.2. Red rural .................................................................................................................. 148

9. Detalle generadores ........................................................................................................ 150

9.1. Red urbana ............................................................................................................... 150

9.2. Red rural .................................................................................................................. 152

ndice de figuras

Figura 21 - Turbina de vapor en cogeneracin con una caldera ............................................. 7

Figura 22 - Modelo de conexin a la red y control de un generador elico en base a imanes

permanentes (PMSG) ................................................................................................................. 9

Figura 23 - Modelo de control y conexin a la red de distribucin de un generador PV ..... 10

Figura 31. Cambio de paradigma del sistema de generacin y consumo de energa

considerando GD ...................................................................................................................... 12

Figura 41 Selectividad ....................................................................................................... 15

Figura 42 - Curvas caractersticas de un fusible ................................................................... 17

Figura 43 - Curvas tiempo corriente de un reconectador .................................................. 18

Figura 44 - Tipos de curvas caractersticas de rels de sobrecorriente ................................ 19

Figura 45 - Modo de conexin de un rel de sobrecorriente (51N) ..................................... 20

Figura 46 - Familia de curvas tiempo-corriente segn tiempo de respuesta ........................ 21

Figura 47 - Modo de conexin de un rel de sobrecorriente (51) direccional (67) .............. 22

Figura 48 - Esquema de polarizacin de 30 ........................................................................ 23

Figura 49 - Esquema de rels en una red radial .................................................................... 25

Figura 410 - Esquema de protecciones en una red radial con mltiples fuentes .................. 26

Figura 411 - Esquema de protecciones en una red enmallada con mltiples fuentes .......... 27

Figura 412 - Circuito radial protegido por fusibles .............................................................. 27

Figura 413 - Criterio para coordinacin fusible-fusible ....................................................... 28

Figura 41 . Red de baja tensin con GD de ejemplo conectada a la red de distribucin ..... 33

Figura 42 - Prdida de sensibilidad de un rel...................................................................... 34

Figura 43- Operacin innecesaria del interruptor de la red de distribucin ......................... 34

Figura 44 Unidad central interroga y recibe mensajes sobre el estado actual de la red .... 36

Figura 45 - Unidad central enva seales a elementos remotos y cambia configuracin (en

este caso de 2 a 3) .............................................................................................................. 36

Figura 46 - Divisin de reas en un esquema adaptativo descentralizado ........................... 37

Figura 11 Diagrama de bloques de la metodologa ............................................................ 39

Figura 31 Modelo en DigSILENT Red BT 12215 Chilectra ............................................ 44

Figura 32 - Modelo en DigSILENT Red BT 3333 Conafe .................................................. 47

Figura 41 - Esquema de protecciones Red BT 12215 Chilectra - Caso Base - Esquema de

fusibles ...................................................................................................................................... 49

Figura 42 Coordinacin Rama Izquierda .......................................................................... 50

Figura 43 - Coordinacin Rama Derecha ............................................................................. 51

Figura 44 - Esquema de protecciones Red BT 3333 Conafe - Caso base Esquema de

salvamento de fusibles .............................................................................................................. 53

Figura 45 - Coordinacin Rama Izquierda ........................................................................... 54

Figura 46 - Coordinacin Rama Derecha N1 ..................................................................... 55

Figura 47 - Coordinacin Rama Derecha N2 ..................................................................... 55

Figura 48 - Esquema de rels direccionales Red urbana ...................................................... 58

Figura 49 - Coordinacin rels red urbana Flujo de corriente en sentido horario ............. 60

Figura 410 - Coordinacin rels red urbana Flujo de corriente en sentido anti-horario ... 60

Figura 411 - Esquema de rels direccionales Red rural ....................................................... 62

Figura 412 - Coordinacin Rels - Red rural - - Sentido Horario ........................................ 63

Figura 413 - Coordinacin Rels - Red rural Sentido Anti Horario .................................. 63

Figura 61 - Resumen de perfil solar y demanda verano - Caso red Chilectra ...................... 65

Figura 62 - Resumen de perfil solar y demanda verano - Caso red CONAFE..................... 65

Figura 63 - Escenarios de simulacin ................................................................................... 66

Figura 71 - Metodologa evaluacin de esquemas de proteccin ......................................... 68

Figura 11- Comportamiento dinmico generador sincrnico ............................................... 70

Figura 12 - Comportamiento dinmico PV .......................................................................... 71

Figura 31 - Tensin en transicin a modo isla rama izquierda ............................................. 88

Figura 32 - Tensin en transicin a modo isla rama derecha ............................................... 88

Figura 33 - Frecuencia en transicin a modo isla rama izquierda ........................................ 89

Figura 34 - Frecuencia en transicin a modo isla rama derecha .......................................... 89



Figura 37 - Frecuencia en transicin a modo isla ................................................................. 93



Figura 310 - Frecuencia en transicin a modo isla rama izquierda ...................................... 98

Figura 311 - Frecuencia en transicin a modo isla rama derecha ........................................ 99

Figura 312 - Tensin en transicin a modo isla rama izquierda ......................................... 101

Figura 313 - Tensin en transicin a modo isla rama derecha ........................................... 102

Figura 314 - Frecuencia en transicin a modo isla rama izquierda .................................... 102

Figura 51 - Diagrama de bloques sistema PV .................................................................... 140

ndice de tablas

Tabla 31 - Aportes de corriente de cortocircuito de acuerdo a tecnologa utilizada ............ 29

Tabla 31 - Datos generales red 12215 .................................................................................. 42

Tabla 32 - Datos transformador de distribucin ................................................................... 42

Tabla 33 - Claves de barras y consumos .............................................................................. 43

Tabla 34 - Nivel de cortocircuito red externa - Red BT 3333 Conafe ................................. 44

Tabla 35 - Datos Generales Red BT 3333 ............................................................................ 45

Tabla 36 - Datos transformador de distribucin ................................................................... 45

Tabla 37 - Claves de barras y consumos .............................................................................. 46

Tabla 38 - Nivel de cortocircuito red externa - Red BT 3333 Conafe ................................. 47

Tabla 41 - Configuracin Rels Direccionales Red urbana ................................................. 59

Tabla 42 - Configuracin Rels Direccionales red Rural ..................................................... 62

Tabla 61 - Redes y su ubicacin con el fin de estudiar recurso solar ................................... 64

Tabla 62- Hora a simular, demanda y radiacin solar en cada caso de estudio ................... 66

Tabla 21 - Tiempos de apertura - Falla en mismo ramal 100% de penetracin 150[kW]

.................................................................................................................................................. 72

Tabla 22 - Tiempos de apertura - Falla en ramal externo 100% de penetracin 150 [kW]

.................................................................................................................................................. 73

Tabla 23 - Tiempos de apertura - Falla en mismo ramal 20% de penetracin 30 [kW]. 73



Tabla 26 - Tiempos de apertura - Falla en mismo ramal 80% de penetracin 120 [kW]

.................................................................................................................................................. 74


.................................................................................................................................................. 75

Tabla 28 - Tiempos de apertura - Falla en ramal externo 20% de penetracin 30 [kW] 75

Tabla 29 - Tiempos de apertura - Falla en ramal externo 40% de penetracin 60 [kW] 75


.................................................................................................................................................. 76

Tabla 211 - Falla en ramal externo 80% de penetracin 120 [kW] ................................ 76

Tabla 212 - Tiempos de apertura - Falla en ramal externo 100% de penetracin 150

[kW] .......................................................................................................................................... 76

Tabla 213 - Tiempos de apertura - Falla en mismo ramal 100% de penetracin 150

[kW] [1P] .................................................................................................................................. 78


[kW] [1P] .................................................................................................................................. 79


[kW] [3P] .................................................................................................................................. 79


[kW] [3P] .................................................................................................................................. 79


.................................................................................................................................................. 80


.................................................................................................................................................. 80

Tabla 219 - Tiempos de apertura - Falla en mismo ramal 60% de penetracin 90[kW] 80


.................................................................................................................................................. 81


[kW] .......................................................................................................................................... 81


.................................................................................................................................................. 81

Tabla 223 - Tiempos de apertura - Falla en ramal externo 40% de penetracin 60[kW]

.................................................................................................................................................. 82

Tabla 224 - Tiempos de apertura - Falla en ramal externo 60% de penetracin 90[kW]

.................................................................................................................................................. 82


.................................................................................................................................................. 82


[kW] .......................................................................................................................................... 83

Tabla 31 - Tiempos de apertura Falla en barra 1 20% de penetracin 30 [kW] .......... 86

Tabla 32 - Tiempos de apertura - Falla en barra 1 40% de penetracin 60 [kW] .......... 86

Tabla 33 - Tiempos de apertura - Falla en barra 1 60% de penetracin 90 [kW] .......... 86

Tabla 34 - Tiempos de apertura - Falla en barra 1 80% de penetracin 120 [kW] ........ 87

Tabla 35 - Tiempos de apertura - Falla en barra 1 100% de penetracin 150 [kW] ...... 87

Tabla 36 - Tiempos de apertura - Falla en MT 20% de penetracin 30 [kW] ................ 90



Tabla 39 - Tiempos de apertura - Falla en MT 80% de penetracin 120 [kW] .............. 91

Tabla 310 - Tiempos de apertura - Falla en MT 100% de penetracin 150 [kW].......... 91




Tabla 314 - Tiempos de apertura - Falla en barra 1 80% de penetracin 120 [kW] ...... 96

Tabla 315 - Tiempos de apertura - Falla en barra 1 100% de penetracin 150 [kW] .... 96

Tabla 316 - Tiempos de apertura - Falla en MT 20% de penetracin 30 [kW].............. 99

Tabla 317 - Tiempos de apertura - Falla en MT 40% de penetracin 60 [kW]............ 100

Tabla 318 - Tiempos de apertura -Falla en MT 60% de penetracin 90 [kW]............. 100

Tabla 319 - Tiempos de apertura - Falla en MT 80% de penetracin 120 [kW].......... 100

Tabla 320 - Tiempos de apertura - Falla en MT 100% de penetracin 150 [kW]........ 100

Tabla 41 - Resumen de resultados considerando generacin PV ....................................... 105

Tabla 42 - Resumen de resultados considerando generacin CHP .................................... 106

Tabla 11 Clientes y ubicacin en red BT 3333 Conafe ................................................... 134

Tabla 21 Detalles de lneas y nodos red BT 12215 Chilectra ......................................... 136

Tabla 31 - Clientes y ubicacin en red BT 12215 Chilectra .............................................. 137

Tabla 41 - Detalles de lneas y nodos red BT 12215 Chilectra .......................................... 139

Tabla 51 - Parmetros generador sincrnico ...................................................................... 142

Tabla 51 - Corrientes de cortocircuito calculadas segn IEC60909 red urbana ................ 143

Tabla 61 - Corrientes de cortocircuito calculadas segn IEC60909 red rural .................... 144

Tabla 71 - Detalle de fusibles Red BT 12215 Chilectra ..................................................... 145

Tabla 72 - Detalle de fusibles Red BT 3333 CONAFE ..................................................... 146

Tabla 81 - Corrientes pick up rels red urbana ................................................................... 147

Tabla 82 - Transformadores de corriente y potencial red urbana ....................................... 147

Tabla 83 - Corrientes pick-up rels red rural ...................................................................... 148

Tabla 84 - Transformadores de corriente y potencial red rural .......................................... 149

Tabla 91 - Generadores sincrnicos distribuidos red urbana - caso fusibles...................... 150

Tabla 92 - Generadores sincrnicos distribuidos red urbana - caso rels .......................... 151

Tabla 93 - Generadores sincrnicos distribuidos red rural - caso fusibles ......................... 152

Tabla 94 - Generadores sincrnicos distribuidos red rural - caso rels .............................. 152

1

Captulo I: Introduccin

1. Motivacin

Una de las recurrentes preguntas acerca del modelo energtico chileno es si ste es o no

eficiente. Para responder esta interrogante no hay mejor forma que compararlo con lo que se

espera de l. Los objetivos fueron fijados por el Estado en la Ley General de Servicios

Elctricos de 1982, y destacan tres tareas prioritarias: lograr una operacin econmica,

preservar la seguridad del abastecimiento, y tener una produccin limpia. Desde esta ptica los

resultados son insatisfactorios: la energa en Chile es cara, el abastecimiento est lejos de ser

garantizado y, finalmente, es una matriz relativamente sucia y en creciente carbonizacin. En

el quintil ms pobre del pas, las familias utilizan el 11% de su presupuesto en energa

elctrica [1].

La generacin elctrica es una industria en constante crecimiento debido a la vertiginosa alza

en la demanda de energa, la cual crece a nivel mundial a pesar de los esfuerzos de varios

pases en cuanto a eficiencia energtica y responsabilidad de consumo. El sector industrial no

ha parado de crecer y la carbonizacin de la matriz energtica es una realidad constante. Esto

se refleja en que hoy en da Chile es uno de los mayores emisores de C02 en Latinoamrica, y

se prev que producir entre 124 y 180 millones de toneladas de este gas de efecto invernadero

para 2020, y el sector elctrico representar el 40% de tales emisiones segn proyecciones del

programa estatal MAPS-Chile [2].

Por otro lado, hay tambin avances virando cada vez ms a centrales de menor tamao e

impacto ambiental, y con esto surge el concepto de Generacin Distribuida (GD) el cual

rompe con el paradigma de grandes centrales generadoras abasteciendo centros de consumo y

lo sustituye con uno en el que cada consumidor es responsable de su generacin elctrica

limpia y confiable.

En este modelo, generadores se conectan a la red de distribucin rompiendo la lgica

operacional de un sistema convencional. Estas pequeas centrales se encuentran cerca de los

centros de consumo, reduciendo las prdidas del sistema, retrasando inversiones y

abasteciendo de manera confiable a los consumidores. Cabe mencionar tambin que

corresponde a un gran incentivo al uso de ERNC, las cuales por barreras econmicas muchas

veces no se implementan en grandes parques, sin embargo dentro de este nuevo paradigma

tienen una gran oportunidad dado que se utilizan mquinas pequeas y locales.

Adems de romper con un paradigma meramente tcnico, la GD promueve paulatinamente el

trmino de un esquema oligoplico de produccin de energa en el caso de Chile, en el cual

2

las empresas privadas determinan, en gran parte, el avance en materia energtica de un pas y

en reiteradas ocasiones realizan grandes inversiones en medio de comunidades o sectores

protegidos provocando choques ideolgicos con los residentes en el sector.

La insercin de GD a gran escala en un sistema implica un proceso paulatino de

democratizacin de la matriz elctrica, en el cual la misma sociedad se hace cargo de su

propio abastecimiento, la seguridad, continuidad y confiabilidad del servicio, utilizando

energas limpias y dejando de lado las grandes lneas de transmisin y las prdidas asociadas,

adems de obtener energa limpia y barata. Esto implica consumidores ms conscientes del

proceso de utilizacin de la energa, convirtindose naturalmente en una mejora en cuanto a

eficiencia y autonoma energtica.

A pesar de todos los beneficios que pueda traer la GD o los incentivos como por ejemplo la

ley Net Metering [3], sta trae consigo un montn de desafos tcnicos para las redes

convencionales de distribucin, las cuales se encuentran diseadas para soportar lgicas

radiales de funcionamiento.

La insercin de GD provoca cambios en los perfiles de tensin en las barras cercanas debido a

su inyeccin de potencia e incrementos en los niveles de cortocircuito por parte de las

mquinas sincrnicas. Este ltimo problema provoca prdida de selectividad y/o sensibilidad

en los sistemas de proteccin, ya que dispositivos como fusibles y reconectadores fueron

diseados para trabajar unidireccionalmente.

Para sortear estos desafos tcnicos es necesario generar propuestas metodolgicas desde el

punto de vista tcnico en cuanto a sistemas de proteccin para redes de distribucin con GD, a

travs de investigacin de los avances en esta materia a nivel mundial y posterior evaluacin

de soluciones en redes de distribucin reales.

La idea es permitir la operacin segura y confiable de la GD en la red, sin que sta implique

daos en los equipos, prdida de abastecimiento o incluso, accidentes a las personas.

3

2. Objetivo general

Contribuir a la mitigacin de los problemas surgidos a partir de la incorporacin de GD en

redes de distribucin mediante la formulacin de una metodologa que permita resolver la

problemtica asociada a los esquemas de proteccin.

3. Objetivos especficos

Disponer de antecedentes acerca de redes de distribucin actuales con penetracin de

tecnologas de GD.

Conocer la problemtica asociada a la conexin de generacin en las redes de

distribucin de baja tensin desde el punto de vista de protecciones instaladas.

Disponer de una descripcin de esquemas de proteccin actuales para integrar

tecnologas de GD de modo de usarlos como lnea de base para la formulacin de una

solucin.

Formular una propuesta metodolgica que permita la integracin masiva y

tcnicamente factible de generacin en redes de distribucin.

Validar la propuesta mediante casos de estudio, que involucren distintas topologas de

red, puntos de conexin, nivel de penetracin y tecnologas de GD.

4. Alcances

La recopilacin de antecedentes, problemticas y soluciones propuestas asociadas a la

integracin de GD se realizar considerando baja tensin, es decir por debajo de 400

[V].

Se realizar una investigacin acerca de esquemas de proteccin actuales, la cual estar

enmarcada principalmente en publicaciones acadmicas debido a la poca

implementacin que existe a nivel mundial en cuanto a protecciones en baja tensin

con GD.

La validacin de la propuesta metodolgica se realizar a travs del anlisis de una red

urbana y una red rural mediante el software DigSILENT PowerFactory.

Las tecnologas a utilizar para los casos de estudio sern solar y cogeneracin.

4

Captulo II: Antecedentes sobre generacin

distribuida y sistemas de proteccin

1. Qu es la generacin distribuida?

A nivel mundial no existe consenso sobre qu es exactamente la GD (desde ahora GD), puesto

que son mltiples los factores que afectan a su definicin: tecnologas empleadas, lmite de

potencia, conexin a la red, etc.

El DPCA (Distribution Power Coalition of Amrica) la define como cualquier tecnologa de

generacin a pequea escala que proporciona electricidad en puntos ms cercanos al

consumidor que la generacin centralizada y que se puede conectar directamente al

consumidor o a la red de transporte o distribucin. Por otro lado, la Agencia Internacional de

la Energa (IEA, International Energy Agency) considera como GD nicamente la que se

conecta a la red de distribucin en baja tensin y la asocia a tecnologas como los motores,

mini y micro turbinas, pilas de combustible y energa solar fotovoltaica. [4]

Asimismo, existe una cierta disparidad de criterios a la hora de establecer el lmite de potencia

para la instalacin de GD. El Departamento de Energa (DOE) de Estados Unidos establece

unos lmites que van desde 1 kW hasta decenas de MW. En Espaa, el Rgimen Especial

contempla un lmite mximo de potencia hasta de 50 MW. EscoVale Consultancy, prestigiosa

consultora del Reino Unido, ampla el rango de potencias hasta 100 MW, limitando a 10 MW

la potencia mxima para instalaciones basadas en fuentes de energa renovable. [4]

Las aplicaciones de la GD van desde la generacin en base, generacin en punta,

cogeneracin, hasta la mejora de la calidad de suministro, respaldo y soporte a la red de

transporte y distribucin. Ninguna tecnologa abarca todo el rango de beneficios por s misma,

sino que cada una se ajusta mejor a unas aplicaciones que a otras.

En este trabajo de ttulo se define la GD como pequeas unidades modulares (no mayores a 10

MW) conectadas a la red de distribucin de baja tensin.

2. Clasificacin de la generacin distribuida

La literatura realiza diversas clasificaciones de los medios de GD o tambin llamados DER

(por su sigla en ingls: Distributed Energy Resources), esto son segn la potencia de la

instalacin, el objetivo de sta y la tecnologa asociada.

5

2.1. Segn potencia

Considerando diversos rangos de potencia se habla de microgeneracin para instalaciones de

potencia inferior a 5 kW-, minigeneracin entre 5kW y 5MW- y generacin de media y gran

escala para sistemas cuya potencia est entre 5 y 50 MW y 50 y 100 MW respectivamente.

En Chile, segn el DS N244, se considera un pequeo medio de GD, PMGD a un generador

conectado a la red de distribucin cuya capacidad no supera los 9 MW, y en el marco del

presente trabajo, se considera que baja tensin segn el DS N 237 es cualquier instalacin

cuyo voltaje nominal no sea superior a 400 Volts entre fases.

De acuerdo con esto, se introducirn algunas definiciones bsicas importantes [5]:

PMGD: Pequeo Medio de GD, corresponden a los medios de generacin cuyos

excedentes de potencia no superan los 9 MW. Estos deben estar conectados a la red de

distribucin.

GDBT: GD en baja tensin, corresponde a los medios de generacin conectados a la

red de distribucin, pertenecientes a la Empresa Distribuidora o a un cliente final.

Estos medios van conectados a la red de baja tensin, es decir, bajo 400 V Pueden

tratarse de medios de generacin convencional o no convencional.

2.2. Segn uso de la energa

Una clasificacin que brinda una idea del potencial de la GD, es la que se realiza teniendo en

cuenta el uso de la energa generada. Esta clasificacin se presenta a continuacin [6]:

Generacin para soporte de la red de distribucin: Es la generacin que sirve como

soporte a la red de distribucin ante prdidas del suministro de energa elctrica para

aquellas cargas sensibles, como lo son hospitales e industrias. De esta forma se aumenta la

confiabilidad del sistema elctrico.

Generacin en isla: Es propia de poblaciones aisladas, que se encuentran por fuera de un

Sistema Interconectado, debido a obstculos geogrficos que dificultan el suministro de

energa, de manera que conectarse a la red es muy costoso y se requiere de una central que

genere la energa necesaria para dicha poblacin.

Generacin para peaks de carga: El precio de la energa vara dependiendo de la curva

de demanda y la generacin disponible. Por tanto, este tipo de GD es usada para reducir

costos de energa en los periodos donde se presenten peaks de demanda, principalmente

6

en el sector industrial. Esto implica que la industria podra generar su propia energa en

los momentos en que el costo del kWh es ms caro y autoabastecerse a un precio menor.

Cogeneracin (CHP, por sus siglas en ingls): Es un proceso de alto nivel de eficiencia

elctrica al producirse simultneamente energa elctrica y trmica. Es ampliamente

utilizado en hospitales e industrias.

Generacin para carga base: GD continua e interconectada a la red, por medio de lo

cual se puede interactuar con el sistema: suministra parte de la energa requerida y

aumenta la confiabilidad, al mejorar los perfiles de tensin y reduccin de prdidas

2.3. Segn tecnologa

En la GD se puede encontrar mltiples fuentes de energa para llevar a cabo el proceso

de generacin de electricidad a partir de los recursos naturales y por medio de

combustibles. Segn la tecnologa empleada, se pueden considerar dos tipos: generacin

convencional o no convencional.

2.3.1. Generacin convencional

Las energas convencionales son las que provienen de recursos energticos tales como

petrleo, carbn y gas natural, estos recursos son limitados y el uso indiscriminado que se ha

hecho de ellos durante muchos aos ha derivado en que cada vez son ms difciles de obtener,

tendiendo a su desaparicin. Por otro lado son altamente contaminantes y deterioran el medio

ambiente provocando un paulatino calentamiento del planeta. Asimismo, tienen aplicaciones

en GD, las cuales se mencionan a continuacin [7]:

Microturbinas (cogeneracin)

Las microturbinas son turbinas de pequeo tamao (10-500kW) que permiten obtener calor y

electricidad (cogeneracin) para aplicaciones industriales y comerciales, con eficiencias

trmicas en el rango del 50% -60% y elctricas entre el 15 30%. Se trata de una tecnologa

emergente y las ms desarrolladas son las microturbinas de potencia inferior a 200 [kW],

aunque se estn haciendo grandes avances en las de mayor potencia.

Su funcionamiento es similar al de una turbina de gas convencional con la particularidad de

que los elementos adicionales para la generacin elctrica se encuentran acoplados en la

propia turbina.

Las microturbinas de gas tienen una aplicacin directa en la GD, bien como elementos

independientes de generacin, o bien como integrantes de instalaciones hbridas con pilas de

combustibles, micro-cogeneracin o, en el terreno del transporte, vehculos elctricos hbridos.

7

Turbinas de vapor

En esta tecnologa, el combustible se usa para producir calor el cual se emplea para generar

vapor. Este vapor es utilizado en las turbina para producir electricidad. Esta tecnologa se

puede utilizar con una gran variedad de combustibles entre los que se encuentran el gas

natural, diesel, residuos slidos urbanos y recursos de biomasa (residuos agrcolas o cultivos

energticos para la generacin de electricidad).

Tiene su justificacin en GD en aplicaciones de cogeneracin (cuando se usan combustibles

fsiles) o como generacin renovable. La Figura 21 corresponde a un esquemtico de un

sistema en el cual la turbina de vapor aprovecha la salida de una caldera y luego inyecta esta

energa a la red de distribucin o alimenta la misma construccin.

Caldera

Turbina de vaporGenerador Red elctrica

Edificio o industria

Calentamiento y/o enframento

Vapor o agua calienteAgua

Combustible

Figura 21 - Turbina de vapor en cogeneracin con una caldera

2.3.2. Generacin no convencional

A diferencia de las energas fsiles, las energas renovables se caracterizan porque en sus

procesos de transformacin y aprovechamiento en energa til no se consumen ni se agotan en

una escala humana. Entre estas fuentes de energas estn: la hidrulica de pequea escala,

la solar, la elica y la de los ocanos. Adems, dependiendo de su forma de explotacin,

tambin pueden ser catalogadas como renovables la energa proveniente de la biomasa, la

energa geotrmica y los biocombustibles.

8

En Chile se define como fuentes de Energas Renovables No Convencionales (ERNC) a la

elica, la pequea hidroelctrica (centrales hasta 20 MW), la biomasa, el biogs, la geotermia,

la solar y la mareomotriz [8]

La GD representa una gran oportunidad para la insercin de este tipo de energas a la matriz,

ya que, al no ser econmicamente rentables desde un punto de vista amplio para la red, de

igual forma existe la posibilidad de que los consumidores inviertan en su propia energa a

pequea escala abaratando los costos, masificando el conocimiento acerca de ERNC y

aportando a la reduccin de emisiones por parte de la red.

A continuacin se enumeran las ms importantes [7]:

Mini-hidrulica

Una estacin generadora mini hidrulica consiste en una turbina conectada a un generador

elctrico y todas las estructuras necesarias como canales y presas que regulen el caudal del ro.

Esta tecnologa convierte la energa cintica del agua en energa elctrica. La energa cintica

depende del caudal y de la diferencia de cota entre el nivel superior del agua en la presa y

nivel de la turbinaEn Espaa, de acuerdo al Real Decreto 661/2007 se considera una central

mini-hidrulica aquella con una potencia instalada menor igual a 10MW. [9]

Existen tres tipos de tecnologas de generacin mini-hidrulica:

Fluyentes: poca diferencia de cota, mucho caudal. Se utilizan turbinas Franklin, Kaplan

y Banki y tienen pocas posibilidades de regular la potencia de salida.

Media cota (turbinas Francis)

Alta cota: mucha diferencia de cota, poco caudal fcilmente regulable y se utilizan

turbinas Pelton y Turgo.

Elica

Tecnologa que usa la energa elica y la transforma en energa elctrica. La potencia de

dichos equipos se sitan en la actualidad en rangos que van desde unos 30 kW hasta ms de 2

MW. Es una tecnologa bastante madura, con ndices de fiabilidad cercanos al 97%. A

pequea escala se utilizan generalmente entre 25 kW y 100 kW [2]

Como GD puede considerarse, nicamente, las pequeas instalaciones de aerogeneradores

instaladas cerca del consumo que pueden servir para llevar suministro elctrico a lugares

aislados, alejados de la red elctrica, y utilizadas comnmente para el bombeo de agua, etc.

Aparte de esas aplicaciones, una aplicacin emergente es la integracin de energa elica a

pequea escala en edificios. [4]

Existen dos tecnologas de transformacin de la energa mecnica de las aspas en energa

elctrica: mediante generadores sincrnicos y asincrnicos. La tendencia actual va hacia

9

generadores asincrnicos doblemente alimentados controlados por conversores. Esto permite

regular la tensin de salida modificando el consumo o generacin de potencia reactiva

mediante la constante variacin de velocidad, lo cual rompe con la lgica convencional de

solamente consumir reactivos por parte de los generadores de induccin. Esta opcin es muy

til cuando el generador se conecta a redes dbiles, donde una fuerte inyeccin de potencia

puede elevar la tensin del punto de conexin a valores por encima de los rangos tolerables.

Adems la construccin de las aspas con la posibilidad de variar su ngulo de ataque permite

regular la potencia activa generada.

Sin embargo, ltimamente estn tomando fuerza los generadores sincrnicos de imanes

permanentes, PMSG, por sus siglas en ingls. Esta tecnologa tiene preponderancia en

aplicaciones off shore, debido a su bajo nivel de mantenimiento, a pesar de esto, esta

tecnologa se ve entrampada debido a que el mercado de tierras raras (material utilizado para

fabricar los imanes) es controlado por un solo pas (China). [10]

En la Figura 22 se encuentra un modelo de conexin y control de un generador elico

sincrnico de imanes permanentes, el cual es el ms usado en aplicaciones de GD. ste se

conecta mediante un rectificador que fija una tensin continua fija en su salida (Vdc) a travs

del condensador de acoplamiento para luego pasar por la etapa inversora y entregar la potencia

deseada a la red mediante control vectorial en ejes d-q. En este caso la tensin de salida es

modulada mediante PWM.

PMSGPMSG

Transformada de Park (ab-dq) PWM

Transformada de Park inversa (dq

ab)

Control de corriente eje d (PI)

Control de corriente eje q (PI)

Clculo de corrienteControl de

velocidad (PI)Velocidad de referencia

Voltaje DC

Inercia

=

3 ~ =

3 ~

Vdc

Torque deseado

Referencia Id

Corriente Id

Corriente Iq

Referencia Iq

Referencia Vd

Referencia Vq

ngulo de rotor

Ciclos de trabajo/Switching IGBTs (Sa, Sb y Sc)

Voltajes a modular (Va, Vb y Vc)

ngulo de rotor

Corrientes medidas

3

Generador Rectificador (AC-DC) DC Link Inversor (AC-DC) Red

Torque generado

Figura 22 - Modelo de conexin a la red y control de un generador elico en base a imanes permanentes (PMSG)

10

Solar fotovoltaica

Convierte la energa solar en electricidad. El rendimiento energtico alcanzado en la

actualidad ronda el 25%. Se pueden dividir en tres tipos segn su modo de funcionamiento:

Funcionamiento aislado: Se usa en localizaciones que no tienen acceso a la red de

distribucin y necesita del uso de bateras y de un regulador de carga.

Funcionamiento hbrido: supone que las placas fotovoltaicas se conectan en paralelo

con otra fuente de generacin, como un motor diesel o un generador elico.

Conectados en paralelo con la red: el consumo se alimenta o de los paneles

fotovoltaicos o de la red, conmutando mediante un inversor. Esta solucin presenta la

ventaja de no necesitar batera ni un regulador de carga, con lo que se reducen las

prdidas y la inversin necesaria.

La Figura 23 ilustra un esquema de conexin y control de un generador PV. La potencia de

salida se regula mediante un controlador que se encarga de llevar al dispositivo a su MPPT en

cada momento mediante un conversor DC/DC. Luego esta tensin es modulada y entregada en

forma de corriente alterna a la red de distribucin.

Sistema PVControlador de

potencia PV

Sistema PV

Pack de bateras

Controlador de potencia activa

Transformador y red de

distribucin

Conversor DC/DC

Conversor DC/AC

Filtro

Carga local

TemperaturaRadiacin

Referencia potencia

Potencia PV

Frecuencia de switching

Potencia PV

Iabc

Transformador

Frecuencia de switching

Potencia de salida

Iabc

Referencia potencia de salida

Figura 23 - Modelo de control y conexin a la red de distribucin de un generador PV

La potencia nominal de las instalaciones en viviendas unifamiliares o edificios en general est

relacionada con la superficie til disponible para la instalacin del generador PV,

aproximadamente de 8 a 10 [m2] por cada kW, en funcin del rendimiento del generador.

La potencia tpica de la mayor parte de las instalaciones se sita en torno a los 5 kW en

viviendas y hasta 100 kW en otras instalaciones en edificios e integracin urbana.

11

3. Beneficios del desarrollo de la GD

La GD no responde a los mismos desafos que la generacin convencional, ya que se

encuentra lejos de ser capaz de sostener un sistema elctrico en su completitud, sin embargo es

posible enumerar algunos beneficios surgidos a partir de la implementacin de este nuevo

paradigma.

3.1. Produccin, prdidas y construccin

La GD puede ayudar a las distribuidoras a afrontar los problemas del aumento de la demanda

en regiones urbanas o rurales, donde la red de distribucin es restringida, en este mismo

sentido puede llegar a ser ms rentable implementar tecnologas de GD que redimensionar una

red. Adems si se usa como reserva, es decir, almacenando la energa no utilizada

inmediatamente en el momento de su generacin, es posible despacharla en horas de demanda

punta alivianando la carga de la red.

Otro punto importante de la insercin de GD a la red de distribucin es su contribucin a la

disminucin de las prdidas elctricas durante la transmisin. Aproximadamente el 30% de la

inversin de las compaas elctricas se dedica a cubrir costos de transporte y distribucin.

Las prdidas que se producen en las lneas, debidas al transporte de la energa, se estiman en

un 7-10% de promedio con respecto a la potencia total generada, alcanzando un 14% en horas

punta. La GD, al estar conectada en puntos ms cercanos al consumidor, reduce estas prdidas,

aunque los efectos pueden variar dependiendo de las caractersticas propias de la red, de su

topologa, ubicacin de los generadores y cuanto se produce en cada instante. [4]

3.2. Aspectos medioambientales

Las ERNC por su naturaleza se encuentran en forma dispersa y de poca densidad y no ofrecen

las ventajas de otros recursos tales como carbn o gas natural para los sistemas actuales de

planificacin y produccin de energa, ya que la produccin se basa en grandes centrales.

Aparte de los grandes parques elicos y centrales fotovoltaicas, los proyectos de energa

renovable son de pequea escala, en que el usuario puede ser desde una empresa generadora

hasta una casa residencial.

En este sentido, la penetracin y crecimiento de la GD est muy ligada a las energas

renovables y otras tecnologas de alta eficiencia como la cogeneracin: una gran parte de la

energa primaria se consume para producir calor ya sea en las residencias o en la industria y

gracias a que la GD est en el sitio del consumo, facilita la explotacin del calor que en otros

casos se rechazara.

12

El uso de la ERNC, aumento de la eficiencia, disminucin de prdidas del transporte, la

posibilidad del uso de combustibles renovables o menos contaminantes tal como el gas

natural, convierten la GD en un importante contribuidor de la disminucin de los impactos

ambientales reduciendo las emisiones de GEI (Gases de Efecto Invernadero) mediante un

menor consumo de combustibles fsiles. En general, podemos decir que los proyectos de GD

se enfocan a un mayor desarrollo sostenible.

3.3. El consumidor y la generacin distribuida

La oportunidad que los consumidores se vuelvan productores de energa podra

eventualmente llevar a un cambio de paradigma en el proceso de generacin y consumo de

energa.

Este efecto ocurrir debido a que los consumidores, orientados tanto a una alta fiabilidad y

calidad como a un bajo precio del servicio, pueden decidirse por la GD ya que resulta

econmicamente competitivo respecto a la generacin tradicional. Partiendo por lograr la

convivencia de la generacin convencional con la tradicional y, a travs de la investigacin y

desarrollo de tecnologas se avanza hacia la red esquematizada en la Figura 31.

Figura 31. Cambio de paradigma del sistema de generacin y consumo de energa considerando GD

Por otro lado, en cuanto a los consumidores aislados o fuera del alcance de la red, la GD es la

nica solucin viable, y sin embargo sta favorece el desarrollo de localidades o de reas

rurales, creando puestos de trabajo.

Transmisin

Distribucin

Generacin centralizada Generacin limpia y local

Casa

Edificio comercial

Fbrica

Planta PV

Planta

cogeneracin

Planta

elica

Cogeneracin domstica

Casa

Fbrica

Ayer Maana

13

Una generacin dispersa y basada en las fuentes energticas locales, diversifica los recursos y

aumenta la autosuficiencia de una regin. Generadores pequeos interconectados, formando

una red de baja tensin aislada, pueden ofrecer un servicio fiable ya que la probabilidad de una

falla de todos es muy baja. Adems, si un generador quedase fuera de servicio, es muy fcil

para los otros compartir la carga. Dado esto, generalmente la GD har el sistema elctrico

menos vulnerable a desastres naturales o provocados. [7]

A pesar de todos los beneficios recin enumerados y descritos, la GD tiene varios

inconvenientes. El ciudadano comn tendr que hacer funcionar y mantener la instalacin, y

sobretodo asegurar el suministro del combustible para las instalaciones diferentes de las de

energa renovable. En cuanto la GD est conectada a la red, es necesario un control ms

estricto, ya que el funcionamiento y mantenimiento de las redes de distribucin es ms

complejo. Finalmente, una parte de las tecnologas de GD, las ms innovadoras, no estn an

probadas suficientemente en el mercado y por lo tanto representaran para los clientes un

riesgo a la hora de su adquisicin.

14

4. Sistemas de proteccin

4.1. Caractersticas generales de un esquema de protecciones

En redes de distribucin deben cumplir con las caractersticas esenciales de todo sistema de

protecciones, es decir [11,12].

Confiabilidad:

Seguridad de que la proteccin opere correctamente. Esto quiere decir que el sistema o

esquema de protecciones debe ser capaz de asegurar que no se produzcan daos en personas o

equipos conectados a la red durante fallas y adems minimizar el nmero de interrupciones de

energa que pudieran afectar a los clientes finales.

Selectividad:

Esta caracterstica tiene que ver con asegurar la mxima continuidad del servicio con la

mnima cantidad de desconexiones y detectar operaciones falsas, como corrientes de arranque,

armnicos y transitorios varios. Es decir el esquema de protecciones no debe operar ante falsas

seales de alerta.

En una red radial el objetivo de la selectividad es desconectar de la red el receptor o la

derivacin de salida en falla y slo sta, manteniendo en servicio la mayor parte posible de la

instalacin. Cualquier falla podra provocar una prdida de selectividad si no se tiene presente

la coordinacin de los dispositivos de proteccin.

Se le llama selectividad total si queda garantizada para cualquier valor de corriente de falla

hasta el valor mximo disponible que pueda ser detectado en la red.

Para ejemplificar, en la Figura 41 ocurre una falla en la rama derecha del circuito y el

sistema de protecciones ejecuta la apertura del interruptor D2 en vez de D1, asegurando

selectividad y la no prdida total de la alimentacin del circuito aguas abajo.

15

Figura 41 Selectividad

El nmero de clientes que se ven afectados por una falla se minimiza seleccionando y

ubicando adecuadamente los equipos de proteccin en el alimentador principal, en el punto de

derivacin de cada rama, y en los puntos crticos de los circuitos ramificados. Las fallas

permanentes se despejan con la operacin de fusibles instalados en las derivaciones

secundarias y laterales, esto limita el nmero de clientes afectados y adems permite

identificar el lugar de ocurrencia de la falla permanente.

Sensibilidad:

El esquema de protecciones debe enterarse de la ocurrencia de una falla en cualquier punto del

circuito, ya que de ste depende la correcta operacin de los equipos y el abastecimiento de

energa a los consumidores. Un sistema no sensible podra ser causa de mala planificacin a la

hora de compra de fusibles (corriente nominal muy alta) o mala configuracin de rels.

Velocidad de operacin:

Mnimo tiempo de duracin de la falla y por ende reduccin de daos a los equipos. Este

punto es muy importante dado lo grande en magnitud de las corrientes de cortocircuito y sobre

todo a la presencia de los arcos elctricos que normalmente le acompaan, los circuitos

afectados deben de quedar interrumpidos casi instantneamente, en menos de algunas centenas

de milisegundos.

Los objetivos secundarios que debe cumplir un sistema de protecciones de distribucin, por

otro lado son:

16

o Eliminar riesgos de seguridad lo ms rpido posible

o Desconectar lneas, transformadores y otros aparatos que se encuentren en falla

[13]

4.2. Elementos bsicos de un sistema de proteccin de sobrecorriente en

redes de distribucin

En redes de distribucin se utiliza una amplia variedad de equipos. El tipo particular de

proteccin a utilizar depende del elemento que se quiere proteger y el nivel de tensin del

sistema, y, aunque no hay estndares especficos que abarquen toda la complejidad de un

sistema de proteccin en distribucin, ac se abarcan algunos de los equipos y prcticas de

utilizacin. Lo ms utilizados son:

4.2.1. Fusible

El fusible es un elemento de proteccin de sobrecorriente y es el ms utilizado en redes de

distribucin; posee un elemento que es directamente calentado por la corriente que circula y se

destruye cuando sta excede un valor predeterminado. Un fusible bien escogido debe abrir el

circuito mediante la destruccin del elemento fundible, eliminar el arco establecido durante la

ruptura del elemento y luego mantener la condicin de circuito abierto con voltaje nominal

aplicado en sus terminales (es decir, sin arco a travs del elemento fusible).

La mayora de los fusibles utilizados en sistemas de distribucin operan con el principio de

expulsin, es decir, tienen un tubo donde confinan el arco, con su interior cubierto con fibra

des-ionizante y el elemento fusible. En presencia de una falla, el interior de la fibra se calienta

cuando el elemento fusible se derrite, produciendo gases des-ionizantes que se acumulan en el

tubo. El arco es comprimido y expulsado del tubo; con esto, el escape del gas a travs del tubo

causa que las partculas que sostienen el arco sean expulsadas tambin. De esta forma, el arco

logra ser extinguido cuando y haciendo que la corriente circulante caiga a cero. La presencia

de los gases y la turbulencia dentro del tubo aseguran que la corriente de falla no se re-

establezca despus de que sta caiga a cero [13].

La zona de operacin est limitada por dos factores; el lmite inferior basado en el tiempo

mnimo requerido para que el elemento fusible se destruya (Minimum Melting Time, MMT) y

el lmite superior determinado por el tiempo mximo total que le toma al fusible despejar la

falla o curva MCT por sus siglas en ingls (Maximum Clearing Time Curve). La Figura 42

muestra las dos curvas caractersticas de un fusible en un diagrama tiempo corriente de

DigSILENT. La que siempre toma valores inferiores corresponde al tiempo mnimo de fusin

y la que la acompaa es la curva de extincin del arco.

17

Las siguientes consideraciones deben ser tomadas para seleccionar un fusible para una cierta

operacin en un sistema de distribucin:

Voltaje y nivel de aislacin

Tipo de sistema

Nivel mximo de cortocircuito

Corriente de carga

Los factores recin mencionados determinarn la corriente y voltaje nominales del fusible,

adems de sus caractersticas de cortocircuito.

Figura 42 - Curvas caractersticas de un fusible

2.1.1. Reconectador

Este dispositivo tiene la habilidad de detectar sobrecorrientes de fase y fase-tierra y luego

interrumpe el circuito si sta se prolonga durante un determinado tiempo, despus de esto

automticamente se vuelve a cerrar, re-energizando la lnea. Si la falla que origin la primera

18

operacin del reconectador persiste, ste al cerrarse volver a detectar la sobrecorriente y

nuevamente se abrir. Estas operaciones se repiten despus de un cierto nmero de ciclos de

apertura y cerrado predeterminado en el dispositivo. Si al final de todas las operaciones la falla

contina, el sistema queda des-energizado aguas abajo del reconectador ya que la falla es de

naturaleza permanente. En un sistema de distribucin, en general, entre el 75% y el 95% de las

fallas son de naturaleza temporal y tienen una duracin de unos pocos ciclos como cota

superior [13]. Este dispositivo debe estar coordinado aguas arriba con las protecciones del

transformador de alta tensin y tambin con los dispositivos aguas abajo.

El reconectador, gracias su caracterstica abierto/cerrado, previene que el circuito quede des-

energizado debido a fallas temporales.

Tpicamente son diseados para tener 3 ciclos de abierto/cerrado y, luego de esto ocurre una

apertura final para terminar la secuencia. La operacin caracterstica tiempo-corriente de los

reconectadores normalmente incorpora dos o tres curvas, una rpida (primera operacin del

reconectador) y una o dos retardadas (con un margen de tiempo con respecto a la primera

curva) [13]. La Figura 43 ilustra las curvas tiempo corriente de un reconectador con una

curva instantnea y una retardada modelado en DigSILENT.

Figura 43 - Curvas tiempo corriente de un reconectador

19

2.1.2. Rel de sobrecorriente

Este rel es el dispositivo ms comn entre los elementos de sobrecorriente. Tal como el

nombre lo dice, el rel est designado para operar cuando el valor de la corriente que circula

por un lugar especfico del sistema es mayor que un valor predeterminado en la configuracin

del rel. Hay dos formas bsicas de rels de sobrecorriente: instantneos y de tiempo retardado

[14].

Los rels instantneos operan sin retardo intencional cuando la corriente excede la permitida.

Sin embargo, el tiempo de operacin (apertura de contactos) de este tipo de rels puede variar

significativamente. Puede ser tan bajo como 0.016 segundos o tan alto como 0.1 segundos.

El rel con retardo de tiempo tiene una caracterstica de operacin tal que su tiempo de

operacin varia inversamente con la corriente circulante. Esta caracterstica y la anterior se

muestran en la Figura 46. El diagrama modelado en DigSILENT muestra las cuatro

caractersticas tiempo-corriente ms comnmente utilizadas: inversa, extremadamente inversa,

moderadamente inversa y normalmente inversa. Estas curvas difieren en la razn segn la cual

el tiempo de operacin decrece dependiendo del aumento de la corriente.

Figura 44 - Tipos de curvas caractersticas de rels de sobrecorriente

20

Ambos tipos de rel son no selectivos por naturaleza en cuanto a que pueden detectar

condiciones de sobrecorriente no solo en su propio equipo, sino que tambin en los

dispositivos adyacentes. Sin embargo, en la prctica la selectividad se puede conseguir a base

de sensibilidad, o tiempos de operacin, o una combinacin de las dos dependiendo de las

curvas tiempo-corriente relativas entre el conjunto de rels [14].

La utilizacin de rels de sobrecorriente es, en general, ms difcil y menos permanente que

otro tipo de rel, esto es porque su operacin se ve afectada por variaciones en la magnitud de

las corrientes de cortocircuito causadas por cambios en la operacin del sistema y conexin de

nuevas fuentes de generacin. Hoy en da es usada principalmente en sistemas de distribucin,

donde el bajo costo es un factor importante. La Figura 45 ejemplifica en una fase la

conexin de un rel de sobrecorriente (51N), el cual recibe seales desde un transformador de

corriente (TC) y enva una seal de apertura al interruptor. En general estos rels se conectan

mediante un transformador de corriente en cada una de las fases y el neutro.

Figura 45 - Modo de conexin de un rel de sobrecorriente (51N)

La Figura 46 muestra una familia de curvas representadas en DigSILENT que grafican

cuatro posibles configuraciones de curvas de rels de sobrecorriente. Cada una vara segn un

parmetro llamado time dial (Tp), el cual determina que tan rpida o lenta es su respuesta

ante sobrecorrientes y por ende cuan arriba o abajo se encuentra una curva en el grfico

tiempo corriente. Los rels de sobrecorriente actualmente son programables y es posible

obtener una gama continua de curvas dependiendo de este ltimo parmetro.

Seal de apertura

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Figura 46 - Familia de curvas tiempo-corriente segn tiempo de respuesta

2.1.3. Rel direccional

Este tipo de rels es necesario para redes cuyas fuentes de energa estn ubicadas en diferentes

lugares de la red y se hace necesario limitar la accin del ste para fallas en una sola direccin.

Sera imposible obtener selectividad total utilizando rels sin deteccin de flujo de corriente de

cortocircuito, ya que la corriente puede fluir en dos sentidos a travs del transformador de

medida del rel y sta puede tener distintas magnitudes.

Los rels direccionales necesitan dos seales de entrada, la corriente de operacin y una

referencia o valor de polarizacin, por lo general es un voltaje pero tambin puede ser una

corriente. La diferencia angular entre la tensin medida y la corriente indica la direccin del

flujo y si el rel debe abrir contactos o bloquearse. En la Figura 47 se puede visualizar el

modo de conexin fsica de este tipo de rels. Se requiere un transformador de potencial

(polarizacin) y un transformador de corriente. Con la accin de ambos rels (51 y 67) se

consigue tener orden de apertura del interruptor si la magnitud de corriente de falla es mayor

que un valor preestablecido (pick up) y la direccin del flujo es concordante con la definida en

el rel; de otra manera, no hay orden de apertura del interruptor aunque la magnitud de la

corriente circulante sea superior al valor pick up del rel de sobrecorriente.

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51 / 67

51N / 67N

Seal de apertura

T/C Interruptor

InterruptorT/C

Seal de apertura

T/P

Flujo de potencia

Figura 47 - Modo de conexin de un rel de sobrecorriente (51) direccional (67)

Las tensiones de polarizacin no deben incluir la fase en falla debido a que sta misma colapsa

en ese punto, por lo cual se utilizan distintos esquemas de polarizacin de stos dispositivos y,

en el caso de fallas trifsicas se cuenta con espacio de memoria para almacenar la tensin un

par de ciclos antes del cortocircuito. La Figura 48 muestra una polarizacin tpica, en este

caso la tensin de polarizacin es Vab y desfasa la fase a en 30, lugar en el cual est

conectado el rel. Por ende se dice que esta conexin es de 30 y cuando el ngulo de la

corriente de operacin (Iop) toma este valor, se le llama ngulo de torque mximo.

Perpendicular a esta lnea se define la recta de torque cero y sta divide el plano entre la zona

de operacin y de bloqueo. El rel enviar seal de apertura si la corriente se encuentra desde

60 en atraso con respecto a la tensin de polarizacin y hasta 120 en adelanto. Adems, la

zona de operacin queda definida para los valores de corriente Iop superiores a los delimitados

por la circunferencia de la figura (valor umbral). Si se encuentra fuera de esta zona, nada

suceder.

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Figura 48 - Esquema de polarizacin de 30

2.2. Coordinacin de dispositivos de proteccin de sobrecorriente

Los siguientes criterios bsicos deben ser empleados al momento de coordinar dispositivos de

tiempo/corriente en sistemas de distribucin.

o La proteccin principal debe despejar una falla temporal o permanente antes de que la

proteccin de apoyo opere, o continuar operando hasta que el circuito se desconecte.

En una red radial la proteccin principal es la que se encuentra ms cercana al punto de

falla, y la de apoyo es la que viene inmediatamente despus con un pequeo retarde

temporal.

o La prdida de suministro causada por fallas permanentes debe estar restringida a la

ms pequea parte posible del sistema y por el periodo ms corto posible. Es decir, se

debe garantizar selectividad.

Las reglas bsicas para una correcta coordinacin de dispositivos de sobrecorriente son,

generalmente, las siguientes [15]:

- Cada vez que usen dispositivos en serie, se deben usar las mismas caractersticas de

operacin

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- Asegurarse de que el dispositivo de sobrecorriente que se encuentre ms lejano a la

fuente de energa se configure para operar con una corriente igual o menor que los

rels que se encuentren tras l. Es decir, la corriente necesaria para que un dispositivo

provoque disparo siempre debe ser menor o igual que los que se encuentren aguas

arriba.

La coordinacin de protecciones de sobrecorriente es el proceso de determinar

configuraciones de los dispositivos en cuestin de modo de cumplir con los objetivos recin

planteados. Las caractersticas de tiempo inverso son las ms utilizadas, ya que se puede

utilizar una amplia gama de tiempos y corrientes de disparo.

Para los rels hay dos configuraciones en las que hay que poner atencin: corriente pick-up

(valor mnimo de corriente para causar disparo) y la escala de tiempo (time dial). La corriente

pick-up se debe escoger de modo que el rel no enva seales de disparo para la corriente

mxima de carga en el circuito que se desea proteger. La escala de tiempo se utiliza para

asegurar la coordinacin entre dos o ms rels, ya que sta provee de una familia de curvas

programables como se vio en la seccin 2.1.2.

La coordinacin de un esquema de protecciones comienza desde el dispositivo ms lejano a la

fuente, y desde ah se coordinan los elementos aguas arriba. El mtodo grfico de curvas de

tiempo-corriente es el ms usado para estos fines.

Para fines de coordinacin de protecciones, se considera como fuente tanto la red infinita

(externa) como las fuentes de GD que estn eventualmente conectadas a la red de estudio.

2.2.1. Coordinacin de rels en sistemas radiales

Los esquemas de proteccin de sobrecorriente convencionales usualmente responden a una

topologa de red radial, la cual se caracteriza por una nica fuente de energa, que en el caso de

una red de baja tensin corresponde a la red de distribucin de media tensin. En

consecuencia, la corriente de cortocircuito solamente fluye en una direccin, desde la red

hacia el punto de falla. La selectividad se puede conseguir mediante un diagrama tiempo-

corriente y configurando los distintos rels a travs de la escala de tiempo y la corriente pick-

up [16].

As, todos los rels conectados en un alimentador particular son capaces de ver la falla, sin

embargo solamente el ms cercano (principal) alcanza a enviar orden de disparo.

Por ejemplo, en la Figura 49 (abajo) se puede ver una red infinita conectada a travs de un

transformador a una red puramente radial. En el caso de un cortocircuito en la lnea B-C, el

rel principal es Rb y ser el primero en detectar la corriente de falla y dispararse ante un

cortocircuito. En caso que este ltimo rel no opere, ser el rel Ra (de apoyo) el que actuar.

Por otro lado en caso de una falla despus de la barra C, el rel Rc abrir los contactos

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correspondientes. En la parte superior de la figura se muestran las curvas tiempo-corriente de

los rels A, B y C.

Ra Rb Rc

Barra A Barra B Barra C

Figura 49 - Esquema de rels en una red radial

2.2.2. Coordinacin de rels en sistemas con mltiples fuentes

Una red de distribucin puede tener mltiples fuentes de energa si se conecta GD en las

barras de los consumidores. En estos casos es necesario contar con esquemas de proteccin

que detecten el sentido de la corriente para tener selectividad. Esto hace que el sistema de

proteccin se vuelva ms demandante y costoso.

En el caso de la Figura 410 se tiene una red de distribucin en la cual al final de sta se

conecta un generador distribuido (DG). En este esquema de protecciones se han instalado seis

rels. Tres de ellos estn polarizados para ver la corriente proveniente de la red y los otros

para dar cuenta de la corriente del generador distribuido. La corriente de cortocircuito aportada

por el generador distribuido es mucho menor que la de la red, por lo tanto la corriente pick up

de los rels 4, 5 y 6 debe ser acorde a este bajo nivel.

La coordinacin de tiempo se realiza de igual forma que en el punto anterior para los rels R1,

R2 y R3. Por otro lado, para los rels R4, R5 y R6 se realiza el mismo ejercicio pero

considerando una corriente de pick-up acorde al aporte de DG y procurando que el rel ms

Rel RA Rel RB Rel RC

Red externa

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lejano a la fuente (R6) sea el primero en operar ante fallas entre las barras A y B, luego R5 y

finalmente R4.

Por ejemplo, para una falla entre las barras C y D, el rel R3 ser el primero en operar al fluir

por l la corriente aportada por la red externa y luego el rel R4 ante el aporte del generador

distribuido quedando despejado el cortocircuito.

R1 R2 R3R6 R5 R4

DG

Barra A Barra B Barra C Barra D

Figura 410 - Esquema de protecciones en una red radial con mltiples fuentes

2.2.3. Coordinacin de rels redes enmalladas con mltiples fuentes

En redes enmalladas con mltiples fuentes como la de la Figura 411 con varios loops

cerrados se hacen necesarios rels de sobrecorriente direccional. Cada unidad direccional

opera para la corriente que fluye desde la barra hacia la lnea a la cual est conectada.

Para configurar rels a lo largo de un loop es necesario identificar el orden de operacin

deseado para los rels. Por ejemplo, para una falla entre la barra A y B, el rel R1 debe actuar

como proteccin principal y R6 de apoyo. Por otro lado R3 tambin ser proteccin principal

y R5 de apoyo. Para una falla en la lnea A-C. El rel R2 debe operar antes que R3 y R6 antes

que R4. Esto se debe lograr ajustando sus curvas de tiempo corriente.

Red externa

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DG DG

R1 R2

R3 R4 R5 R6

Barra A

Barra B Barra C

Figura 411 - Esquema de protecciones en una red enmallada con mltiples fuentes

2.2.4. Coordinacin fusible-fusible

El criterio esencial cuando se usan fusibles es que el tiempo mximo de despeje (momento en

el cual se extingue el arco) para un fusible principal no debe exceder el 75% del tiempo

mnimo de fusin del fusible de apoyo, para el mismo nivel de corriente [17]. En la Figura 4

12 se ilustra una red radial protegida por fusibles. Al haber una falla despus de la barra C, el

fusible principal es F2 y el de apoyo es F1, por lo tanto el primero se quemar (si la falla dura

lo suficiente) y el segundo solo lo har si el primero falla. La Figura 413 muestra las curvas

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