Sistemas de protección y control

Alondra Donají Dominguez BarrientosMarco Ignacio Espinal HernándezIngrid Lissette Tirado López

MARCO HISTÓRICO

Hacia finales del siglo XIX , de los primeros sistemas eléctricos alternados , empezaba una etapa entonces apenas insospechable del desarrollo de la energía eléctrica .

El descubrimiento del transformador permitió, alrededor de 1885 vislumbrar la capacidad de expansión de grandes áreas geográficas de transporte y distribución de la energía eléctrica .

El crecimiento de los sistemas eléctricos fue generando unas necesidades auxiliares, entre las cuales de incluyeron los sistemas de protección.

DEFINICIÓN

El objetivo de los sistemas de protección es remover del servicio lo más rápido posible cualquier equipo del sistema de potencia que comienza a operar en una forma anormal.

También limita el daño causado a los equipos de potencia, y saca de servicio al equipo en falla lo más rápido posible para mantener la integridad y estabilidad del sistema de potencia.

Se puede generalizar como un conjunto de equipos necesarios para la detección y eliminación de los incidentes en los sistemas de instalaciones eléctricas.

Características de un sistema de protección

Para que un sistema de protección pueda realizar sus funciones en forma satisfactoria debe cumplir con las siguientes características: - SensibilidadDetectar pequeñas variaciones en el entorno del punto de equilibrio, de ajuste, o de referencia, con mínima zona muerta o de indefinición. - SelectividadDetectar un determinado tipo de anomalía en un determinado componente o equipo del sistema de potencia y no operar ante otro tipo de anomalía o ante anomalías en otros equipos. - RapidezLimitar la duración de las anomalías, minimizando los retardos no deseados.

- Confiabilidad Probabilidad de cumplir la función encargada sin fallar, durante un período de tiempo. - DependabilityProbabilidad de que la protección opere correctamente, o sea que opere cuando corresponde que lo haga. - SeguridadProbabilidad de que la protección no opere incorrectamente, habiendo o no falta o condición anormal en el sistema eléctrico de potencia, o sea que no opere cuando no corresponde que lo haga.

Las protecciones aportan a las siguientes características deseables en unsistema de potencia: - su disponibilidad (porcentaje del tiempo estipulado, en que el equipo o parte del

sistema de potencia está disponible para ser operado o utilizado) - la confiabilidad (probabilidad de que un equipo o sistema pueda operar sin fallas

durante un tiempo estipulado) - la estabilidad (capacidad de recuperar un estado estable de operación, caracterizado

por la operación sincrónica de los generadores, luego de una perturbación)

Equipo básico de protección

El sistema requiere de la siguiente información

1. Un estudio de corto circuito para el sistema en consideración.2. Información acerca de los valores máximos de carga que se pueden esperar.3. Localización de los transformadores de instrumento y su relación de transformación.4. Programas de expansión futura en el sistema.5. Grado de protección requerida.

Desde el punto de vista de clasificación de la protección en los sistemas eléctricos se puede decir que básicamente existen dos tipos: Protección primaria Protección de respaldo

Protección primaria

Corresponde al esquema de relevadores, su función es proteger los principales componentes del sistema de potencia, desconectando cuando se presenta un disturbio. La protección primaria puede fallar debido a:

Suministro de corriente o volteje a los relevadores. Voltaje de alimentación en corriente directa al circuito de disparo. Relevadores de protección. Circuito de disparo o mecanismo del interruptor. Falla en el interruptor.

PROTECCIONES DE RESPALDO

La protección de respaldo se emplea como protección cuando la protección primaria falla Respaldo remoto: Las protecciones de respaldo remoto se ubican en lasestaciones adyacentes o remotas.

-Respaldo local y falla interruptor: El respaldo local está ubicado en la mismaestación.

OBJETIVOS- Reconocer la existencia de todas las fallas que ocurren dentro de su zonade protección.- Detectar cualquier elemento en falla en la cadena de protecciones,incluyendo los interruptores.- Iniciar el disparo de la mínima de cantidad de interruptores necesarios paraeliminar la falla.- Operar lo suficientemente rápido para mantener la estabilidad del sistema,prevenir que los equipos se dañen y mantener la continuidad del servicio.

Relevadores (relés)

Se refiere a un equipo en particular, o sistemas de equipos que miden y comparan las cantidades de un sistema de potencia e inician una acción requerida para aislar de sistema de potencia los elementos que se encuentren en falla.

Estos sistemas de protección se deben diseñar para detectar cualquier condición anormal existente en el sistema y ejecutan alguna acción para corregir la situación.

Normalmente responden a las señales de voltajes, corrientes o frecuencias del sistema y a la acción instantánea entre ellas.

Tipos de relés

Relevadores electromagnéticos (tipo armadura / tipo inducción). Relevadores sobrecorriente. Relevadores instantáneos de sobrecorriente. Relevadores direccionales ( monofásicos y sobrecorriente). Relevadores de tiempo-corriente. Relevadores de distancia.

Impedancia. Reactancia. Admitancia. Ohm.

Relevadores diferenciales.

Interruptores

Todos los interruptores operan en conjunto con los relevadores de protección para llenar los requisitos para una operación automática Interruptores: Dispositivos que hacen cambio de fase (encendido / apagado ); existen :

Interruptores de aire. Interruptores de vacío. Interruptores en aceite. Interruptores en gas.

Interruptores de aire: Tienden a ser usados en instalaciones en interiores; Se pueden usar en exteriores; Operan entre 2400v. A 34500v.

Interruptores de vacío: Son más rápidos para extinguir el arco eléctrico; Producen menos ruido

durante la operación; El tiempo de vida de los contactos es mayor; Elimina o reduce sensiblemente el riesgo de explosiones.

Interruptores de aceite: Operan a mas de 13.8v; Se usan en instalaciones tipo exterior;

Básicamente un recipiente que contiene aceite dentro del cual se instala los componentes y el mecanismo de operación; tensión de 2.4 Kv a 400 Kv

Interruptores de gas: Se usa normalmente en alta tensión y extra alta tensión hasta 765 Kv; Usan gas

inerte

Fusibles

Son dispositivos capaces de proteger en caso de fallas por exceso de calor (fallas térmicas) Fusibles para sistemas arriba de 600 v.

•Fusibles de potencia limitadores de corriente. Esta diseñado para fundirse antes de que la corriente de cortocircuito tenga termino de alcanzar su valor pico.•Fusibles de potencia no limitadores de corriente. Similares a los tipo cartucho, usados en

forma extensiva en los sistemas de 600 v o menores. Fusible tipo distribución para uso en corta circuitos. Para uso en cortocircuito en redes de

distribución aéreas, se usan principalmente en compañías eléctricas que distribuyen energía.

Transformadores auxiliares

Transformador de corriente (TC): Aíslan los circuitos secundarios(relevadores) de los circuitos primarios ( o de potencia) y proveen en el secundario corrientes que son proporcionales a las del primario.

Transformadores de voltaje o potencial (TV o TP). Baja el voltaje recibido y aísla al equipo de protección del circuito primario. En el primer devanado recibe unos cuantos centenares de volt-amperes y el voltaje en el secundarios es casi siempre de 110 V entre fase.

Devanados en un transformador de voltaje

Protección de equipos eléctricos

TRANSFORMADORES

Los transformadores constituyen uno de los elementos más importantes de los sistemas eléctricos de potencia.A diferencia de los alternadores ,son simples máquinas estáticas y presentan un sistema de protección más simple y mucho menos elaborado que varia de acuerdo a : Al tamaño(potencia). En transformadores de 1000 KVA .Se emplean termómetros especiales.Para sobrecargas

Principales causas de fallas

Elevación de temperatura a limites superiores de los admisibles en los devanados. Sobretensiones de origen atmosférico. Sobrecargas permanentes.

Se clasifican

Fallas en el equipo auxiliarSon fallas que ocurren en los equipos auxiliares que conducen a fallas mayores en el transformadorEquipo auxiliar Aceite para el transformador Colchón de gas Bombas de aceite y ventiladores

Se puede utilizar un termómetro con contactos de alarma que indicaran la elevación de temperatura del aceite en el transformador.

Fallas en la parte interior (devanados y conexiones) Fallas en la espiras adyacentes del mismo devanado Sobrecargas y corto circuitos externos Pueden estar sometidos a sobrecargas durante largos periodos de tiempo, estas

sobrecargas excesivas producen deterioros en los aislamientos y fallas subsecuentes. Los cortocircuitos externos en los transformadores solo se encuentran limitados por la

impedancia del transformador .

Protección

Protección por relevador BUCHHOLZ Emplean aceite como medio refrigerante y tienen tanque conservador, permite

detectar las fallas en el interior del transformador . Detecta las fallas en el interior y envía señales de alarma acústica u óptica al

interruptor dejando fuera de servicio al transformador

MOTORES

GENERADORES

Fallas más comunes y soluciones

Sobrecarga en los devanados del estator. Corto circuito en los devanados de del

estator. Desbalance de voltaje en el estator. Sobrecalentamiento en las chumaceras. Fallas a tierra en el devanado de campo. Perdida de sincronismo. Conversión en motor. Sobrevoltajes.

Se detectan por medio de termopares localizados en la ranura del estator.

Se utilizan relevadores diferenciales. Se efectúa un análisis de control y se

utilizan filtros de secuencia. Termopares y relevadores Relevadores que detectan fallas a tierra. Relevadores de sobrefrecuencia. Relevadores direccionales. Relevadores de voltaje