protecciones electricas

Universidad de la costa. Protecciones eléctricas.

Resumen— Este trabajo muestra las protecciones que debe poseer un sistema para mantener su estabilidad. Se desarrollan individualmente cada elemento y su aporte en el sistema de protección.

Índice de Términos—Cargas, generadores, Líneas de transmisión y distribución, transformador, Protecciones eléctricas.

I.INTRODUCCIÓN

Las protecciones eléctricas son indispensables para cualquier instalación eléctrica, y en una subestación se puede decir que su importancia se acentúa debido a la función de estas como punto de control, de conexión y desconexión, en las centrales de generación o en transporte y distribución de energía, en un sistema de potencia.

Los sistemas de protección buscan asegurar la estabilidad del sistema y de esa forma la subestación pueda cumplir su objetivo que es conseguir la máxima seguridad, flexibilidad y continuidad del servicio. Para ello cada elemento del sistema debe ser adecuadamente protegido.

II. OBJETIVOS

Objetivo General:

Conocer las protecciones que deben tener cada uno de los componentes de un sistema eléctrico de potencia.

Objetivos Específicos:

Conocer las diversas protecciones para las líneas de transmisión, líneas de distribución, transformadores, generadores y cargas en el sistema eléctrico contra las posibles fallas que se puedan presentar.

III. PROTECCIONES ELÉCTRICAS

El objetivo de los sistemas de protección principalmente es aislar las fallas de un sistema con el fin de que los equipos no asociados a ella sufran averías y limitar el daño causados en los equipos de potencia y mantener la integridad y estabilidad del sistema de potencia.

Por elementos en un sistema de potencia las protecciones eléctricas son las siguientes:

A. Líneas de transmisión

Las líneas de transmisión están expuestas a fallas por causa de descargas atmosféricas, cortocircuito y sobrecargas.

Para proteger las líneas y el equipo asociado en la subestación contra las fallas por descargas atmosféricas se utilizan los pararrayos y un óptimo sistema de puesta a tierra en la subestación y de las torres y cables de guarda. Es recomendable la puesta a tierra de todo el equipo de la sala de control y de todas las partes metálicas como protección para los seres humanos y el equipo.

Para protección contra fallas por sobretensión ocasionadas por descargas atmosféricas o por desconexiones de líneas largas, se debe realizar el cálculo de las sobretensiones para el diseño y aplicar una muy buena coordinación de aislamiento.

Para protección contra cortocircuitos producidos por fallas entre fases y fallas fase-fase, se utilizan en las líneas, relevadores de distancia y relevadores de sobrecorriente. Para protección contra sobrecargas sostenidas, se utilizan relevadores de sobrecorriente.

Con el fin de seleccionar un esquema de protección adecuado para una línea de transmisión, se debe tener en cuenta y analizar lo siguiente:

a) Configuración del sistema de potencia.

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PROTECCIONES ELÉCTRICASGómez José, Medina Franco y Navas Brallan.

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b) Parámetros del sistema: Longitud e impedancia de las líneas y transformadores.

c) Estudio de cortocircuito.d) Carga máxima.e) Localización de transformadores de potencial y

de corriente, entre otros.

La protección de sobrecorriente es utilizada principalmente en líneas de subestación (33 kV) y en líneas de distribución (13.2 kV) o como protección de respaldo de líneas de transmisión.

La protección principal para las líneas de transmisión, es la protección de distancia.

Protección de líneas de transmisión con relevadores de sobrecorriente

La protección de sobrecorriente es la más sencilla

y la de menos costo pero tiene la desventaja de ser difícil de aplicar ya que necesita reajuste o reemplazo de forma rápida a medida que cambia el sistema. Es usada para protección contra la falla fase-fase o fase a tierra, en los circuitos de servicios propios de la subestación, en los circuitos de distribución y en los sistemas industriales.

Para protección de líneas de transmisión en sistemas interconectados, con el fin de que la operación del relevador resulte en la mínima interrupción del servicio mientras se aísla la falla, este debe ser coordinado de acuerdo a lo más conveniente. Existen varias formas posibles para configurarlo.

-Método de escalonamiento de tiempo.

El propósito del escalonamiento de tiempo es asegurar que el interruptor más cercano a la falla abra primero mediante la selección del ajuste de tiempo adecuado para cada relevador .Los ajustes de tiempo aumentan a medida que el relevador se acerca a la fuente. Se muestra a continuación el principio de escalonamiento de tiempo para un sistema radial.

En cada uno de los puntos 2, 3, 4 y 5, de la figura 1. Es instalada una unidad de protección que contiene un relevador de sobrecorriente de tiempo atrasado definido. Ese tiempo proporciona los

medios para la selectividad del relevador.

Figura 1. Principio de escalonamiento de tiempo para un sistema radial.

La mayor desventaja de este método de discriminación es que el tiempo de eliminación de la falla es mayor en cuanto más cercana a la fuente ocurra la falla.

-Método escalonamiento de corriente.

El método anterior funciona de acuerdo al hecho de que la corriente de falla varía con la posición donde esta ocurra, debido a la diferencia en los valores de impedancia entre la fuente generadora y el punto de la falla. El relevador más cercano a la falla abrirá el interruptor. Ese método no es factible para corrientes entre dos interruptores con una impedancia insignificante.

El método de escalonamiento de corriente aprovecha que las corrientes de falla son más altas a medida que la falla se acerca a la fuente. Los relevadores se calibran para operar al ajuste de corriente disponible que disminuye a medida que la distancia desde la fuente es aumentada.

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Figura 2. Escalonamiento de corriente para un sistema radial.

Protección de distancia.

La protección de sobrecorriente es insuficiente para ser la protección principal de la línea, entre otras cosas debido a que es casi imposible alcanzar un ajuste selectivo sin retardar significativamente la protección y puesto que depende de la magnitud de la corriente de falla que varía con cambios al sistema.

La protección de distancia es independiente de la magnitud y de las variaciones de las corrientes de cortocircuito con la impedancia de la fuente ya que la impedancia de la línea es independiente de las variaciones de la impedancia de la fuente. Sin embargo la protección de sobrecorriente todavía es usada como protección principal de circuitos de media y baja tensión y de respaldo de circuitos no muy importantes de alta tensión.

En protección de distancia la medición de la impedancia se realiza utilizando relevadores comparadores. Un relevador de distancia simple está compuesto por un sistema de brazo balanceado. Dicho relevador tiene una bobina alimentada por una corriente proporcional a la corriente de falla y la otra alimentada por una corriente proporcional al voltaje de falla. Bajo condiciones normales, la atracción desarrollada por el electroimán de voltaje excede la desarrollada por el electroimán de corriente, y los contactos están abiertos. Para un cortocircuito dentro del alcance del relevador, la corriente en la bobina de corriente se incrementa, mientras que en la bobina de voltaje disminuye, y así el relevador opera para disparar el

interruptor.

Figura 3. Brazo relevador balanceado

Teleprotección

Este tipo de protección se usa en alta tensión y tiene un alto grado de selectividad en despejar la falla del sistema de potencia en el menor tiempo posible. Funciona manteniendo los relevadores comunicados mediante sistemas de comunicaciones de alta disponibilidad y confiabilidad permitiendo tomar decisiones cada vez que ocurra una falla.

Los equipos de comunicaciones se alimentan de fuentes independientes de energía, normalmente de los equipos auxiliares en una subestación.

La teleprotección hace uso de cualquier tipo de tecnología de comunicación, la cual se escogerá de acuerdo a la conveniencia del caso.

Figura 4. Esquema teleprotección integrada en equipo de Onda Portadora.

La figura anterior muestra un equipo de teleprotección integrado a un equipo de onda portadora que hace uso de la misma línea de transmisión de alta tensión como medio físico para el transporte de la información.

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B. Líneas de distribución

Fusibles

El fusible es la protección que mediante la interrupción automática de corriente en caso de cortocircuitos o sobrecargas más sencilla resulta. En baja tensión se encuentran hasta de 600 A y de 250 a 600 Volt. Soportan continuamente la corriente nominal y se funden en un tiempo máximo de 5 minutos con un 15% de sobrecarga. Tambien están incluidos en alta tensión y se encuentran hasta de 400 Amperes y de 10 a 138 kV, con potencias de 0,1 a 20 MVA.

Un fusible (Figura 5) está constituido por un

elemento sensible a la corriente y un mecanismo de soporte de éste. El elemento sensible se funde cuando circula por él, una corriente peligrosa durante un tiempo determinado. El mecanismo de soporte establece rápidamente una distancia eléctrica prudente a fin de minimizar el tiempo que dura el arco.

Figura 5. Fusibles típicos.

El ambiente en el cual es utilizado puede afectar o modificar su funcionamiento, así como el material del que haya sido fabricado.

Reconectadores Automáticos

La desventaja de los fusibles es que necesitan ser cambiados o ser reconectados (en caso de ser interruptores) manualmente, y teniendo en cuenta que en los sistemas de distribución aérea, del 80 hasta el 95 % de las fallas son temporales. Ya sean provocadas por el contacto de líneas empujadas por el viento, ramas de árboles que tocan líneas

energizadas, descargas de rayos sobre aisladores, pájaros y en general todo lo que cortocircuite una línea con una superficie conectada a tierra, de forma temporal. Por lo que se justifica disponer de un dispositivo de protección en forma automática reconecte el sistema; este dispositivo es el reconectador automático.

Es un dispositivo de protección capaz de detectar una sobrecorriente, interrumpirla y reconectar automáticamente para reenergizar la línea. Por medio de un control realiza varias reconexiones sucesivas, pudiendo además, variar el intervalo y la secuencia de estas reconexiones. De esta manera, si la falla es de carácter permanente el reconectador abre en forma definitiva después de cierto número programado de operaciones (generalmente tres o cuatro), de modo que aísla la sección fallada de la parte principal del sistema. A través de sucesivas reconexiones da lugar a que pase la falla; o bien, sea despejada por el elemento de protección correspondiente instalada aguas abajo de la posición del reconectador, si la falla es permanente.Los siguientes parámetros permiten conocer el funcionamiento del reconectador más claramente:

− Secuencia de Operación: las veces en que las reconexiones pueden ser programadas, normalmente son maximo cuatro aperturas y tres reconexiones. Los tiempos de apertura pueden determinarse de curvas características tiempo-corriente− Número total de operaciones o aperturas: Según la coordinación con otros elementos de protección se prepara el uso más favorable para cada caso en particular.− Tiempo de reconexión: Son los intervalos de tiempo en que los contactos del reconectador permanecen abiertos entre una apertura y una orden de cierre o de reconexión.− Tiempo de reposición: Es el tiempo después del cual el reconectador vuelve a su estado original debido a que la falla era temporal.− Corriente mínima de operación: Es el valor mínimo de corriente para el cual el reconectador comienza a ejecutar su secuencia de operación programada.

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Figura 6.Reconectadores

Seccionalizadores

El seccionalizador es un dispositivo de protección que aísla automáticamente las fallas en las líneas de distribución. Se instala en coordinación con un equipo con reconexión automática. Para fallas ocurridas dentro de su zona de protección, el seccionalizador entra en acción o se abre en el momento en que el reconectador está abierto antes de cerrarse por última vez y abrirse definitivamente o según sea programado; es decir, el seccionalizador cuenta los impulsos de corriente de falla que fluyen en el sistema, ajustándose para que abra después de un determinado número de pulsos que pueden ser uno, dos o tres como máximo. No tienen curvas características de operación tiempo-corriente y se coordinan con los reconectadores, como se dijo.Estos dispositivos deben tener la sensibilidad suficiente para detectar la corriente mínima de falla en toda la zona asignada para ser protegida por él.Pueden ser utilizados para desconectar o conectar líneas de carga, siempre que éstas estén dentro de su rango admisible.

Figura 7. Seccionalizadores

C. Transformadores

El grado de protección de transformadores de potencia varía según la potencia y su nivel de tensión. Los transformadores por ser maquinas estáticas, tienen un numero de fallas relativamente bajo con relación a otros elementos o componentes del sistema. Pero en caso de fallas las consecuencias pueden ser graves, en algunos casos se puede presentar hasta incendio.

La protección requiere de una alta sensibilidad y rapidez de operación por ser las corrientes de falla menores que la nominal.

Entre las protecciones de los transformadores tenemos:

Protección diferencial

La protección diferencial de transformadores se basa en la comparación de la corriente entre los lados de alta y baja tensión del transformador.

Bajo la perspectiva de que la suma de todas las corrientes entrantes tiene que ser igual a la suma de las corrientes salientes.

Como resultado de la comparación de corrientes, en caso de producirse una corriente diferencial Id permite deducir entonces la existencia de un fallo interno.

Se deben adoptar medidas de estabilización y adaptación con el fin de garantizar un correcto funcionamiento de la protección diferencial de transformador, entre esas medidas está el utilizar transformadores (convertidores) con diferentes relaciones de transformación, considerar los giros de fase entre el lado del primario y del secundario originados como consecuencia de los grupos de interruptores del transformador, considerar procesos de conmutación producidos en la red, etc.

La figura 8 muestra un esquema de su correcta configuración y funcionamiento.

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Figura 8. Protección diferencial

Protección de las instalaciones de refrigeración

Los transformadores que necesitan del uso de refrigeración forzada, en caso de fallo de las instalaciones auxiliares, su potencia quedará reducida de acuerdo con especificaciones que el constructor facilita.

Además de las oportunas alarmas (sensores) que avisen de una situación anómala, deberá disponerse de un automatismo que al cabo del tiempo permitido desconecte el transformador. O bien se puede controlar por medio de un termómetro de contacto de la temperatura del aceite.

Protección térmica

Los transformadores se diseñan bajo cierta temperatura de operación, a baja temperatura ambiente, se puede admitir alguna sobrecarga. La temperatura se mide mediante sensores térmicos en la parte superior del tanque dentro de un compartimiento en el cual se coloca un pequeño calentador (o resistencia eléctrica) alimentado por un TC del terminal de bajo voltaje de cada una de las fases. Este calentador produce una imagen de la temperatura del devanado, la cual siempre es mayor que la del aceite en la parte superior.

El relevador de sobretemperatura es un elemento sensible a los cambios de temperatura, dispone de contactos de control de acuerdo a las necesidades. Los hay de imagen térmica o de tubo capilar y es usado para arrancar sistemas de refrigeración automática y para dar alarma o producir señal de disparo según la magnitud del aumento de temperatura.

Protección Buchholz

Es posible detectar averías internas en los transformadores con baño de aceite y depósito de expansión por medio de la protección Buchholz. Esta protección detecta los defectos de aislamiento, la rotura de conductores, los contactos defectuosos, el calentamiento del hierro (núcleo) y sobrecargas en la parte interna de los bornes pasatapas del transformador.

Esta protección puede detectar variaciones del nivel de aceite, por el resultado de una fuga.

El funcionamiento de esta protección es que el arco que se produce en caso de avería descompone térmicamente el aceite aislante del transformador, esto provoca un desprendimiento de gas que sube a la superficie en forma de burbujas, que se acumulan en un cubículo. Este gas puede hacer funcionar al menos una de las boyas, dando una alarma; en caso de una violenta presencia de gas, la otra boya provoca el disparo. La figura 9 nos muestra un relé buchholz.

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Figura 9. Relé Buchholz

Protección sobrecorrientes

Sirven como respaldo al relevador diferencial y a fallas externas. Los relevadores de sobrecorriente son usualmente suministrados con un elemento instantáneo y un elemento de tiempo diferido dentro de la misma unidad. La protección a base de microprocesadores más moderna tiene una unidad de sobrecorriente trifásica y una unidad de falla a tierra dentro de la misma caja. El ajuste de los relevadores de sobrecorriente incluye la selección de parámetros que definen las características t-I de ambas unidades (instantánea y de tiempo diferido).

Cuando se calculan las corrientes de falla, el sistema de potencia se asume en estado de operación normal. Sin embargo, en una barra que tiene dos o más transformadores conectados a ella y

operando en paralelo, la mejor discriminación es obtenida si los cálculos son realizados sobre la base de que cada uno de los transformadores está fuera de servicio, uno a la vez

Protección restringida - fallas a tierra

Una falla a tierra en los enrollamientos es una de las más comunes en un transformador y se detecta mediante una protección restringida contra fallas a tierra. De forma independiente de los restantes sistemas de protecciones, lográndose ajustes muy sensibles y tiempos de operación muy cortos.

El esquema restringido es un sistema de protección que se aplica particularmente en transformadores de conexión delta – estrella con neutro a tierra y puede instalarse en el enrollado conectado en estrella o en el conectado en delta.

Si se trata del enrollado conectado en estrella con neutro a tierra, se instalan transformadores de corriente de igual relación de transformación en cada una de las fases y en el neutro. Los secundarios de los transformadores de corriente de las fases se conectan en paralelo y la corriente resultante, que es la corriente residual (tres veces la corriente de secuencia cero), se coteja con la corriente residual del neutro, la diferencia se hace circular por un relé. Una falla a tierra externa al lado estrella hará circular una corriente por la fase afectada, la que se balanceará con la corriente que circulará por el neutro, de manera que la corriente resultante por el relé será cero. Por el contrario, durante una falla interna la corriente en la fase tendrá diferente magnitud y sentido que la corriente por el neutro y por lo tanto, el relé operará.

En el caso del enrollado conectado en delta, se instalan transformadores de corriente en cada una de las fases que salen de la delta. Los secundarios se conectan en paralelo, de manera de lograr la corriente residual, la que se entrega a un relé. Dada la conexión delta – estrella del transformador de potencia, sólo circulará corriente por el relé en caso de fallas a tierra que tenga lugar desde los transformadores de corriente hacia el interior del enrollado delta.

Actualmente, se utiliza un relé operado con

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tensión o de alta impedancia, o sea, que el relé se ajusta para operar con una tensión mínima en sus terminales.

En el caso de que el neutro del transformador de conecte a tierra mediante una resistencia, el porcentaje de enrollado que se protege varía según el valor de la resistencia y al ajuste elegido para el relé.

Medida de protección

TransformadoresBT

Transformadores AT

<2MVA <10MVA ≥10MVA

Protección sobrecorriente

Necesaria, si no son instalados

los fusiblesRecomendado Necesaria

Protección distancia

No necesaria No necesaria Muy recomendable

Protección diferencial

No necesaria Necesaria en algunos casos

Necesaria

Protección térmica

No necesaria No necesaria Recomendable

Protección Buchholz

Necesaria en algunos casos

Necesaria Necesaria

Protección falla a tierra

No necesaria -- --

Protección sistema de

enfriamiento

Necesaria Necesaria Necesaria

Tabla 1. Selección de medidas de protección para transformadores

D. Generadores

Los generadores representan el equipo más importante en un sistema eléctrico de potencia y se encuentran expuestos, más que ningún otro equipo del sistema, a los más diversos tipos de condiciones anormales. Es por ello que su protección contra fallas y condiciones anormales es importante y vital para el sistema eléctrico de potencia.

En la actualidad hay muchas protecciones para los generadores, que protegen diversos tipos de fallas como pueden ser, fallas térmicas en general, por sobrecarga, fallas en las bobinas, entre otras que se mencionan a continuación.

Según la IEE GUIDE FOR AC GENERATOR PROTECTION tenemos las siguientes protecciones:

Protección térmica del estator del generador

-Protección de la temperatura del bobinado

La mayoría de los generadores se suministran con un número de sensores de temperatura para monitorizar los devanados del estator. Estos sensores suelen ser detectores de temperatura por resistencia (RTD) y termopares (TC). Como el nombre implica, el RTD detecta la temperatura por el cambio en la resistencia del sensor. Un TC detecta la temperatura por el cambio en el voltaje termoeléctrico inducido en la unión TC.

Estos sensores se utilizan para controlar continuamente el devanado del estator. En las estaciones generadoras asistidas, los sensores pueden estar conectados a un sistema de adquisición de datos para fines de grabación o alarma.

En las estaciones automáticas, los sensores pueden ser utilizados con un relé de alarma, para iniciar las acciones correctivas, o para disparar la unidad si los límites preestablecidos de temperatura se exceden.

Figura 10.Para los generadores convencionales con

bobinados del estator (indirectamente enfriado), RTDs incrustados entre las barras superior e inferior se utilizan para controlar las temperaturas de bobinado. Para los generadores con bobinados del

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estator interior con refrigeración (directamente enfriado), la barra de estator de temperatura del refrigerante de descarga se utiliza junto con los RTD incrustados (si está instalado) para controlar la temperatura del bobinado.

El fabricante del generador debe ser consultado para obtener recomendaciones específicas sobre el método preferido para el seguimiento de estos sensores y los límites de temperatura para propósitos de alarma y disparo.

Protección de fallas de fases del estator del generador

-Cortocircuito en las fases: Este tipo de cortocircuitos genera la circulación

de elevadas corrientes. Estas pueden producir daños significativos en el lugar del cortocircuito. Se trata de uno de los cortocircuitos más perjudiciales que puede tener lugar en el estator de un generador, ya que en el caso de no ser despejado prontamente puede originar la destrucción de las láminas del estator en el área del cortocircuito.

Para detectar el cortocircuito entre fases se utiliza el principio de comparar, en las tres fases, la corriente que circula por el extremo del neutro con la que circula por el extremo de los bornes. Bajo condiciones normales, estas corrientes son idénticas. Por el contrario, cuando tiene lugar un cortocircuito surge una diferencia que es medida por un relé. La protección que se fundamenta en este principio de comparación serie recibe el nombre de “protección diferencial longitudinal”.

Protección diferencial longitudinalse usa un relé diferencial de alta rapidez para

detectar fallas trifásicas, de fase a fase y de doble fase a tierra. Las fallas de una fase a tierra no son normalmente detectadas por los relés diferenciales de máquinas, a menos que su neutro esté puesto a tierra sólidamente o con baja impedancia. Cuando el neutro está puesto a tierra con alta impedancia, la corriente de falla es normalmente menor que la sensibilidad de un relé diferencial.

Tipos de esquemas diferencialesDiferencial de porcentaje: La protección diferencial de porcentaje variable

es más usada para máquinas grandes. La pendiente puede variar desde 5% a 50% ó más.

Figura 11.

Un relé de porcentaje fijo es normalmente fijado de 10 a 25%. Un esquema típico con un relé diferencial de porcentaje variable es mostrado a continuación.

Figura.12.

Los transformadores de corriente usados en un esquema de relé diferencial deben tener preferentemente las mismas características; sin embargo, la diferencial de porcentaje variable es generalmente más tolerante a errores de TCs con altas corrientes. Debe notarse que usar la misma precisión normalizada de TCs no garantiza obtener las mismas características reales; las características reales deben ser verificadas.

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Relé de alta impedancia

Como su nombre indica, este es un relé de alta impedancia conectado en un circuito diferencial como se muestra en la Figura.

Figura 13.El relé discrimina entre fallos internos y externos

por el voltaje que aparece a través del relé. En los fallos externos, la tensión a través del relé será baja, mientras que para los fallos internos de la tensión a través del relé es relativamente alta.

El relé puede ser configurado para funcionar en el devanado del estator de tres fases o fase-fase corrientes de falla de sólo el 2% de la corriente nominal del generador.

Estos relés deben ser alimentados de TCs idénticos con devanados secundarios distribuidos totalmente, con reactancia de dispersión despreciable. El relé es realmente un relé de tensión y responde a la alta tensión impuesta a través de sus bobinas, causada por todos los TCs que tratan de forzar la corriente a través de la bobina de operación durante una falla interna. El ajuste del relé de alta impedancia se basa en la operación perfecta de un TC de entrada y la saturación completa del otro.

Relés diferenciales auto balanceados:

El esquema de autobalance es típicamente usado en generadores pequeños. Este esquema detecta fallas de fase y de tierra en el estator del generador. Este esquema usa un solo TC de baja relación por cada fase, con los conductores de ambos extremos de cada devanado pasados a través de él, de tal forma que el flujo neto es cero para condiciones normales. Un relé de sobrecorriente instantáneo

conectado al secundario del TC proporciona protección confiable y rápida, detectando cualquier diferencia entre la corriente que entra y la corriente que sale del devanado.

Figura 14.

Protección de falla entre espiras

La mayoría de generadores tienen devanados del estator de una vuelta. En generadores con bobinas multi-vueltas y dos más devanados por fase se puede usar el esquema de relés de fase partida para detectar las fallas entre espiras. En este esquema el circuito en cada fase de los devanados del estator es partido en dos grupos iguales y las corrientes en cada grupo comparadas. Una diferencia en estas corrientes indica un desbalance causado por una falla en una vuelta. Un relé de sobrecorriente muy inverso con instantáneo es usualmente usado para este esquema.

Diferencial total. Un relé diferencial total de generador es conectado incluyendo un generador conectado en forma unitaria y el transformador elevador dentro de una zona diferencial como se muestra.

Figura 15.

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Se usa para esta aplicación un relé diferencial de transformador con restricción de armónicas. El transformador auxiliar del generador puede también ser incluido en la zona diferencial como se muestra. La alta relación del TC requerido en el lado de baja tensión del transformador auxiliar para balancear las corrientes del circuito diferencial puede requerir el uso de un TC auxiliar. Usualmente es preferible incluir el transformador auxiliar dentro de la diferencial total, si es posible. Los TCs de la diferencial del transformador auxiliar en el lado de alta tensión del mismo podrían saturarse severamente para fallas en alta tensión debido a las corrientes de falla extremadamente grandes en ese punto. La saturación podría ser tan severa que el relé diferencial podría no operar antes de que la saturación ocurra y resulte así una falla a disparar. La diferencial total conectada al lado de baja tensión del transformador auxiliar podría detectar la falla y proporcionar disparo por respaldo.

Relé de impedancia. Un relé de impedancia de 1 zona puede ser conectado a los TCs y TPs del lado de alta tensión del grupo generador-transformador elevador, viendo hacia el generador. Puede ser ajustado para disparar sin retardo de tiempo adicional para fallas de fase, puesto que no tiene que ser coordinado con otros relés para una falla en el generador. No debe tener offset si se ajusta sin retardo de tiempo. Sin embargo, siendo un relé de distancia, puede operar para oscilaciones del sistema, pérdida de excitación y energización inadvertida. Sus ajustes deben hacerse con estas posibilidades en mente. La aplicación de este relé se describe más a fondo en la sección sobre protección con relés de pérdida de sincronismo de generadores.

Protección de tierra en el campo

El circuito de campo de un generador es un sistema de C.D. no puesto a tierra. Una sola falla a tierra generalmente no afectará la operación de un generador ni producirá efectos de daño inmediato. Sin embargo, la probabilidad de que una segunda falla a tierra ocurra es mayor después de que la primera falla a tierra ha ocurrido. Cuando se tiene una segunda falla a tierra, una parte del devanado de

campo estará corto circuitada, produciendo por lo tanto flujos desbalanceados en el entrehierro de la máquina. Los flujos desbalanceados producen fuerzas magnéticas desbalanceadas las cuales dan como resultado vibración y daño de la máquina.

Detección de tierra en el campo usando una fuente de c.d.

En el método mostrado en la figura.

Figura 16.

Una fuente de tensión de C.D. en serie con una bobina del relé de sobretensión es conectada entre el lado negativo del devanado de campo del generador y tierra. Una tierra en cualquier punto del campo causará que el relé opere. Se usa una escobilla para aterrizar la flecha del rotor puesto que la película de aceite de los cojinetes puede insertar suficiente resistencia en el circuito, de forma que el relé podría no operar para una tierra en el campo. Un retardo de tiempo de 1.0 – 3.0 segundos es normalmente usado con este relé para evitar operaciones innecesarias por desbalances transitorios momentáneos del circuito de campo con respecto a tierra. Estos desbalances momentáneos podrían ser causados por la operación de sistemas de excitación tipo tiristor de respuesta rápida.

Protección contra frecuencia anormal

Tanto el generador como la turbina están limitados en el grado de operación a frecuencia anormal que puede ser tolerados. A frecuencias reducidas, se tendrá una reducción en la capacidad del generador. La turbina, especialmente turbinas de vapor y gas, es considerada más estricta que el

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generador a frecuencias reducidas debido a las posibles resonancias mecánicas en las muchas etapas de los álabes de la turbina. La desviación de la velocidad nominal bajo carga traerá estímulos de frecuencias cercanos a una o más de las frecuencias naturales de los varios álabes y habrá un incremento en los esfuerzos vibratorios. A medida que se incrementan los esfuerzos vibratorios, el daño es acumulado, lo cual puede conducir a la fractura de algunas partes de la estructura de los álabes.

La protección primaria de baja frecuencia para generadores de turbinas se proporciona por la implementación de un programa de corte de carga automático en el sistema de potencia. Estos programas de corte de carga deben ser diseñados de tal forma que para la condición de máxima sobrecarga posible, sea cortada suficiente carga para restaurar rápidamente la frecuencia del sistema a un valor cercano al normal. La protección de respaldo para condiciones de baja frecuencia es proporcionada por el uso de uno o más relés de baja frecuencia y timers en cada generador. Los relés de baja frecuencia y los timers son usualmente conectados para disparar al generador.

La mayoría de las empresas suministradoras han implementado un programa de corte de carga automático para evitar tanto colapsos totales del sistema como para minimizar la posibilidad de daño al equipo durante una condición de operación con frecuencia anormal. Estos programas de corte de carga están diseñados para:

• Cortar sólo la carga necesaria para liberar la sobrecarga en la generación conectada.

• Minimizar el riesgo de daño a las plantas generadoras.

• Mitigar la posibilidad de eventos en cascada como resultado del disparo por baja frecuencia de una unidad.

• Restaurar rápidamente la frecuencia del sistema a un valor cercano al normal.

Protección de sobreexcitación y sobretensión

Las normas ANSI/IEEE establecen que los generadores deben operar exitosamente a kVA nominales para niveles de tensión y frecuencia dentro de límites especificados. Las desviaciones en frecuencia y tensión fuera de estos límites pueden causar esfuerzos térmicos y dieléctricos que pueden causar daño en segundos. La sobreexcitación y la sobretensión son desviaciones para las cuales se necesitan proporcionar esquemas de monitoreo y protección.

Existen tres esquemas de protección comúnmente empleados para relés de V/Hz en la industria. Estos esquemas son: nivel simple, tiempo definido; nivel dual, tiempo definido; y tiempo inverso. Una desventaja importante de emplear un esquema de protección que únicamente utiliza relés de tiempo definido es la decisión entre la protección al equipo y la flexibilidad de operación. La figura muestra un esquema posible de protección que usa dos relés de V/Hz en un esquema de tiempo definido de nivel dual.

Figura 17.

Pueden notarse las áreas no protegidas en las cuales los límites del equipo podrían ser excedidos y las áreas donde las características del relé restringen la operación debajo de los límites del equipo. Por esta razón, los relés de tiempo inverso proporcionan la protección y la flexibilidad de operación óptimas, puesto que coordinan mejor con los límites operacionales del equipo.

Protección de desbalance de corriente

Existen numerosas condiciones del sistema que pueden causar corrientes trifásicas desbalanceadas en un generador. Estas condiciones del sistema

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producen componentes de corriente de secuencia de fase negativa la cual induce una corriente de doble frecuencia en la superficie del rotor. Estas corrientes en el rotor pueden causar altas y dañinas temperaturas en muy corto tiempo.

El relé de secuencia negativa se usa para proteger a los generadores del calentamiento excesivo en el rotor resultante de las corrientes desbalanceadas en el estator. De acuerdo a la representación de las componentes simétricas de las condiciones del sistema desbalanceado, las corrientes en el estator del generador pueden ser descompuestas en componentes de secuencia positiva, negativa y cero. La componente de secuencia negativa de las corrientes desbalanceadas induce una corriente superficial de doble frecuencia en el rotor que fluye a través de los anillos de retención, los slot de las cuñas, y en menor grado en el devanado de campo. Estas corrientes en el rotor pueden causar temperaturas altamente dañinas en muy corto tiempo.

El relé electromecánico el cual usa una característica de tiempo inverso típica y un relé estático o digital que usa una característica la cual se iguala con las curvas de capabilidad del generador. La figura muestra las características típicas de los dos tipos de relés.

Figura 18.La principal diferencia entre dos tipos de relés es

su sensibilidad. El relé electromecánico puede ser ajustado en un pickup de alrededor de 0.6 a 0.7 pu. de la corriente de plena carga. El relé estático o digital tiene un rango de pickup de 0.3 a 0.2 pu. Un ejemplo, para un generador enfriado directamente de 800 MVA con un factor K de 10, el generador

podría manejar 0.6 pu. de corriente de secuencia negativa por aproximadamente 28 segundos.

E. Cargas

Las cargas en un sistema eléctrico de potencia las establecen la cantidad de consumidores ya sean a nivel residencial, comercial, industrial, además de alumbrados y edificios públicos, etc.

Las protecciones para dichas instalaciones se dan a través de los interruptores termomagnéticos, los interruptores de falla a tierra, los fusibles o la combinación de ellos. Dispuestos según sea conveniente para el diseño en cada caso.

IV. CONCLUSIONES

Las protecciones eléctricas garantizan el control de las fallas en un sistema de potencia. Las fallas muchas veces no pueden ser evitadas pero mediante un sistema de protecciones es posible mitigar las consecuencias debido a ellas. La coordinación de las protecciones vienen hacer de vital importancia en el diseño de un sistema de potencia, en cualquier instalación eléctrica y principalmente en las subestaciones eléctricas que permiten la transmisión y distribución segura de la energía.

Los relevadores o relés de protección de distancia son fundamentales para la protección en líneas de transmisión lográndose una alta selectividad si se utilizan con sistemas de comunicaciones.

Las líneas de distribución son protegidas mediante reconectores automáticos, fusibles y seccionalizadores, siendo los reconectores un dispositivo para descartar fallas temporales.

En caso de los transformadores se le protege principalmente en su parte interna con el fin de evitar fallas catastróficas.

Los generadores constituyen un elemento de gran importancia sino el más importante de un sistema de potencia por lo que tiene muchos tipos de protecciones rigurosas.

En general el sistema de protección eléctrica es un sistema integrado al sistema de potencia, que mediante su correcto uso y constante monitoreo

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logra controlar las fallas del mismo por cualquiera de las posibles causas.

REFERENCIAS Jurgen Schlabbach, Kar-Heinz Rofalski, “Power

System Engineering” Ed. New York: Wiley-Vch. IEEE Guide for AC Generator Protection. Villarroel M., Manuel “Sistemas Eléctricos de

Potencia II”, Apunte Universidad de la Frontera. RUSSELL MASON, C, The art and science of

protective relaying, GEC. Gilberto Enríquez Harper, “Fundamentos de

protección de sistemas eléctricos por relevadores”. Ramón M. Mujal, “Protección de sistemas eléctricos

de potencia”. Ediciones UPC. Enriquez Harper, “Elementos de diseño de

subestaciones eléctricas” Limusa. Donal. G. Fink, H. Wayne, John M. Carrol. “Manual

práctico de electricidad ingenieros.

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protecciones electricas

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