trabajo final protecciones electricas

8/13/2019 Trabajo Final Protecciones Electricas

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Trabajo final de protecciones elctricas

Presentado por:

Luis Guillermo muoz 20091372032

Luis Bernardo Moya 20111372007

John Robert Romero 20111372010

Presentado a

Juan Carlos Aponte

Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas

Facultad Tecnolgica

Ingeniera Elctrica (ciclos propeduticos)

Bogot, D.C.

2012


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ContenidoContenido ................................................................................................................ 1

ndice de figuras ...................................................................................................... 2Introduccin ............................................................................................................. 3

Zonas de Proteccin ............................................................................................... 3

Requerimientos de diseo ....................................................................................... 4

Proteccin del Generador ....................................................................................... 5

Esquemasde proteccin para generadores grandes........................................... 5

Proteccin de transformadores ............................................................................. 10

Proteccin de barras ............................................................................................. 12Proteccin de barras (87B) ................................................................................ 12

Proteccin de lneas .............................................................................................. 16

Esquemas de proteccin para lneas ................................................................. 16

Proteccin de redes de distribucin contra sobrecorriente .................................... 19

Conclusiones ......................................................................................................... 21

Bibliografa ............................................................................................................ 21


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ndice de figurasFigura 1: zonas de proteccin ................................................................................. 4Figura 2: Sistema de potencia bsico ..................................................................... 5Figura 3: Ubicacin de los mecanismos de proteccin dentro del sistema degeneracin............................................................................................................... 6

Figura 4: Las funciones de proteccin y las fallas que ellas cubren dentro delgenerador. ............................................................................................................... 7Figura 5: Simbologa empleada ............................................................................... 8Figura 6: Esquema de proteccin para generadores hasta 5 MVA ......................... 8Figura 7: Esquema de proteccin para generadores por encima de 5 MVA ........... 9Figura 8: Esquema de proteccin grupo generador-transformador. Proteccinestator. .................................................................................................................... 9Figura 9: Esquema de proteccin para transformadores MV/LV ........................... 10Figura 10: Esquema de proteccin para transformadores HV/MV/LV. .................. 11

Figura 11: Proteccin de barras ............................................................................ 13Figura 12: proteccin digital de barras arquitectura distribuida .......................... 13Figura 13: proteccin digital de barras arquitectura centralizada ....................... 14Figura 14: Proteccin diferencial para configuracin doble barra. ......................... 14Figura 15: Proteccin diferencial parcial para barra seccionada. .......................... 15Figura 16: Arreglos de proteccin para alimentadores y anillos de media tensin.17Figura 17: Arreglo tpico para proteccin de lneas de alta tensin. ...................... 18Figura 18: Diagrama unifilar simplificado de un alimentador de distribucin con losdiferentes............................................................................................................... 20


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TRABAJO FINAL PROTECCIONES ELECTRICAS

Introduccin

Un sistema de suministro y transporte de Energa Elctrica debe cumplir convarios requisitos indispensables para prestar un servicio con niveles altos decalidad y seguridad.

Las protecciones del sistema elctrico deben cumplir requerimientos deconfiabilidad, efectividad, adems de brindar respaldo y conservar y asegurar lavida de las personas y equipos.

Un sistema de proteccin bien diseado y adecuadamente coordinado es vitalpara asegurar que el sistema elctrico de potencia opere dentro de losrequerimientos y parmetros previstos. Al brindarle seguridad a redes y costososequipos, tambin se est protegiendo una inversin de capital muy grande y seprotege tambin a las personas. La operacin automtica permite aislar las fallastan rpido como sea posible para minimizar los daos. Los costos econmicos ylos beneficios de un sistema de proteccin deben ser tenidos en cuenta con el finde obtener un adecuado balance entre los requerimientos del sistema y losrecursos financieros disponibles.

Ante la ocurrencia de una falla o de una condicin anormal, el sistema deproteccin debe ser capaz de detectar el problema inmediatamente y aislar laseccin afectada, permitiendo as que el resto del Sistema de Potenciapermanezca en servicio y limitar la posibilidad de dao a los otros equipos.La proteccin debe ser lo suficientemente sensible para que opere con rapidezaun bajo fallas incipientes.

Zonas de Proteccin

Las protecciones elctricas debido a su aplicacin y funcionamiento y coordinacinson diseadas con fines especficos, y para distintos equipos, teniendo en cuentaque estos equipos estn interconectados entre s y con distintos niveles de tensinse hace necesario la coordinacin de protecciones, permitiendo as aislar unaposible falla de manera rpida sin ocasionar afectaciones a todo el sistema.

En general, el sistema de potencia se divide en zonas de proteccin parageneradores, motores, transformadores, barras, circuitos de transmisin ydistribucin como se muestra en la figura


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Figura 1: zonas de proteccin

Requerimientos de diseo

Previo al diseo y aplicacin de un sistema de protecciones, se debe tener ciertoscriterios, los cuales estn sujetos a las caractersticas del sistema de potencia. Sedebe tener en cuenta:

Configuracin del sistema.

Sistemas de proteccin existentes y sus dificultades.

Procedimientos y prcticas de operacin existentes y expansiones futurasposibles.

Grado de proteccin requerido.

Estudio de fallas.

Carga mxima, relaciones de los transformadores de corriente. Localizacin, conexiones y relaciones de los transformadores de potencia.

Impedancia de las lneas y de los transformadores.

Bsicamente lo que se quiere mostrar es la disposicin de equipos en un sistemabsico de potencia, donde se mencionaran los equipos necesarios y suscaractersticas para lograr la adecuada proteccin y coordinacin de protecciones.El esquema se menciona un generador, un transformador elevador la lnea detransmisin, el transformador reductor, y las cargas asociadas, esta disposicinse muestra en la figura siguiente:


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Figura 2: Sistema de potencia bsico

Las protecciones necesarias se mencionaran en orden de jerarqua, con el fin dedar concordancia con la figura anterior.

Proteccin del Generador

Los mecanismos de proteccin discutidos anteriormente se muestran en la figura 3y son diseados para reaccionar a fallas que ocurren en el generador. La figura 4muestra a manera de resumen, las diferentes funciones de proteccin, sulocalizacin en la mquina y las fallas cubiertas por las diferentes protecciones delgenerador.

La proteccin del generador debe tener en cuenta la importancia del generador ysus caractersticas tcnicas tales como potencia, voltaje, sistema de puesta atierra y consideraciones econmicas. Un esquema completo de proteccin debegarantizar que el generador este protegido contra todas las fallas que puedanocurrir; sin embargo, es improbable que los costos puedan ser justificados paratodas las centrales generadoras, especialmente para las estaciones con unidadespequeas. Es por lo tanto, necesario definir un esquema de proteccin que seaadecuado para el tamao de la mquina.

Esquemasde proteccin para generadores grandes.Para grandes generadores, por encima de los 5 MVA, el esquema de proteccinnormalmente debe contener:

Proteccin diferencial para cubrir fallas internas.

Proteccin de falla a tierra usando relevadores de alta impedancia. Proteccin de respaldo por medio de proteccin de distancia o de

sobrecorriente con restriccin de voltaje. Proteccin de potencia inversa. Proteccin contra prdida de excitacin. Proteccin contra sobrecarga usando relevadores trmicos.


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Las protecciones de sobrevoltaje y de bajo voltaje, as como aquellas para alta ybaja frecuencia, son recomendadas para unidades muy grandes; ellos estnincluidos como items opcionales indicados con crculos punteados en la figura 7

Figura 3: Ubicacin de los mecanismos de proteccin dentro del sistema de generacin.


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Figura 4: Las funciones de proteccin y las fallas que ellas cubren dentro del generador.


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Figura 5: Simbologa empleada

Figura 6:Esquema de proteccin para generadores hasta 5 MVA


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Figura 7: Esquema de proteccin para generadores por encima de 5 MVA

Figura 8: Esquema de proteccin grupo generador-transformador. Proteccin estator.


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Proteccin de transformadores

En contraste con los generadores, en los cuales pueden surgir muchascondiciones anormales, los transformadores pueden sufrir solo cortocircuitos dedevanados, circuitos abiertos, o sobrecalentamiento. En la prctica no se provee

de proteccin con relevadores contra circuitos abiertos puesto que ellos no sonperjudiciales. En la prctica general no se provee contra sobrecarga ni contrasobrecalentamiento; ellos pueden ser accesorios trmicos que hacen sonar unaalarma o controlan un banco de ventiladores, pero con solo pocas excepciones, eldisparo automtico de los interruptores del transformador no es practicadogeneralmente. Una excepcin es cuando el transformador suministra una cargaprevisible determinada. La proteccin de respaldo contra fallas externas puede serconsiderada como una forma de proteccin de sobrecarga, pero el pickup de talesequipos de proteccin es usualmente alto para proporcionar proteccin efectiva al

transformador excepto para cortocircuitos prolongados. All permanece, luego,solo la proteccin contra cortocircuitos en los transformadores o sus conexiones, yla proteccin de respaldo contra fallas externas.

Figura 9: Esquema de proteccin para transformadores MV/LV


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Figura 10: Esquema de proteccin para transformadores HV/MV/LV.


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Proteccin de barras

Proteccin de barras (87B)

Una de las perturbaciones que se pueden presentar en la red elctrica y que

pueden afectar a las barras de una subestacin son los cortocircuitos. Este tipo defalta se produce por contacto entre las fases o contacto a tierra por objetosextraos que ocasionan la falta. Como la falta se produce normalmente en el aire yno en el aislamiento de un equipo, no hay un dao fsico; pero, comoconsecuencia de las altas corrientes de cortocircuito, se producen esfuerzostrmicos y mecnicos importantes en todos los equipos de la barra.Si bien los equipos estn diseados para las magnitudes de las corrientes que seproducen, estas faltas provocan una reduccin de la vida til de los equipos.Con el fin de reducir al mximo todos los efectos negativos derivados delas perturbaciones se procura que el sistema de proteccin tenga unaalta velocidad de operacin.

La deteccin se basa en el principio de la corriente diferencial, ya que la sumatoriade todas las corrientes que se conectan a la barra debe ser cero.

Existen dos metodologas que son:

Corriente Diferencial con Alta Impedancia: se conectan todos los circuitos a unaalta impedancia donde se evala la tensin. Si la suma de las corrientes es cerono hay tensin en esta impedancia; luego, al producirse una falta interna apareceuna corriente diferencial que produce la tensin de operacin del rel. Estesistema es preferido por su seguridad frente a faltas externas ya que se calculapara impedir una falsa actuacin en este caso.

Diferencial Porcentual: se basa en la primera ley de Kirchhoff, se determina lacorriente diferencial como la suma de las corrientes entrantes menos las salientes.Este sistema pierde selectividad ante faltas externas de elevada intensidad queprovocan saturacin en los transformadores de intensidad, para evitarlo esnecesaria una caracterstica de disparo con estabilizacin.

El circuito diferencial que usa un sencillo rel de sobrecorriente se muestra en lafigura 11. Si el transformador de corriente no se satura, la magnitud de la corrientediferencial (Id) ser cero y no habr posibilidad de operacin del rel.

Si existiera saturacin del TC, la corriente diferencial Id ser diferente de cero ypodra operar el rel de sobrecorriente si la corriente diferencial Id supera el valorde ajuste del rel proteccin.


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Figura 13: proteccin digital de barras arquitectura centralizada

Figura 14: Proteccin diferencial para configuracin doble barra.


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Figura 15: Proteccin diferencial parcial para barra seccionada.


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Proteccin de lneas

Para proteger las lneas y equipo asociado en la subestacin contra fallasocasionadas por descargas atmosfricas (sobretensiones,) se utilizan lospararrayos y un buen sistema de puesta a tierra que incluya la malla de tierra de la

subestacin, buenas puestas a tierra de las torres y cables de guarda. Adems, serecomienda la puesta a tierra de todo el equipo de la sala de control y en general,de todas las partes metlicas para garantizar la proteccin humana y del equipomismo.

Es de anotar que para proteccin contra fallas por sobretensin ocasionadas poragentes externos (descargas atmosfricas) o por agentes internos (desconexionesde lneas largas), se debe contar con una muy buena coordinacin de aislamiento.Se acostumbra tambin en lneas largas de gran capacitancia, compensadas contransformadores de potencial tipo inductivo o reactores.

Para la proteccin contra cortocircuitos (producidos por fallas entre fases y fallasfase-fase), se utilizan en las lneas, relevadores de distancia y relevadores desobrecorriente (direccionales y no direccionales). Para proteccin contrasobrecargas sostenidas, se utilizan relevadores de sobrecorriente. Paraseleccionar el esquema de proteccin ms adecuado para una determinada lneade transmisin, se debe analizar una serie de componentes, tales como:

Configuracin del sistema de potencia.

Parmetros del sistema: Longitud e impedancia de las lneas y

transformadores. Estudio de cortocircuito.

Carga mxima.

Localizacin de transformadores de potencial y de corriente, entre otros.

Esquemas de proteccin para lneas

Estas deben protegerse con relevadores de sobrecorriente, los relevadores de

sobrecorriente direccional deben usarse en anillos de media tensin mientras quelos circuitos radiales de media tensin deben incluir relevadores de recierre en elesquema de proteccin.

Es prctica comn en alimentadores de media tensin que para el disparo de losrelevadores instantneos se enrute la va para los relevadores de recierre. Estoasegura que el relevador de recierre este energizado desde un relevador dedisparo para comenzar la operacin de recierre. Las unidades de tiempo diferido


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son usadas con frecuencia para producir un disparo de tiempo definido, es decir,sin la posibilidad de que ocurra una operacin de recierre.

Figura 16: Arreglos de proteccin para alimentadores y anillos de media tensin.


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Figura 17: Arreglo tpico para proteccin de lneas de alta tensin.


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Proteccin de redes de distribucin contra sobrecorriente

Un sistema de distribucin consiste de un alimentador trifsico principal (troncal)protegido por un interruptor de potencia o restaurador tripolar en la subestacin,un restaurador central en el alimentador principal y circuitos laterales monofsicos

o trifsicos conectados al alimentador principal a travs de seccionalizadores ofusibles.

Las fallas en los sistemas de distribucin se clasifican, de acuerdo con sunaturaleza, en temporales o permanentes. Una falla temporal se define comoaquella que puede ser liberada antes de que ocurra algn dao serio al equipo o alas instalaciones. Un ejemplo de fallas temporales o transitorias son los arqueosque se producen en los aisladores debido a sobretensiones por descargasatmosfricas, "galopeo" de los conductores (debido a fuertes vientos o sismos) o acontactos temporales de ramas de rbol con los conductores. Una falla que en un

inicio puede ser de naturaleza temporal puede convertirse en permanente si no sedespeja rpidamente. Una falla permanente es aquella que persiste a pesar de larapidez con la que el circuito se desenergiza. Si dos o ms conductores desnudosen un sistema areo de distribucin se juntan debido a rotura de postes, crucetaso conductores, la falla ser permanente. Un arqueo entre fases de un circuito conconductor aislado puede ser inicialmente temporal, pero si la falla no se despejarpidamente los conductores pueden romperse y la falla se volvera permanente.

Casi todas las fallas en los sistemas de distribucin subterrneos son denaturaleza permanente. Fallas de aislamiento del cable debido a sobrevoltajes y

roturas mecnicas del cable son ejemplos de fallas permanentes en cablessubterrneos.Si un circuito de distribucin fuera instalado sin el equipo de proteccin desobrecorriente, las fallas podran causar una falta de suministro de energa a todoslos consumidores servidos desde el alimentador. Esto trae como consecuenciauna reduccin en los niveles de confiabilidad (continuidad del servicio) que soninaceptables. Para incrementar el nivel de confiabilidad en el suministro de energaelctrica existen dos opciones:

Disear, construir y operar un sistema de tal forma que el nmero de fallas seminimice. Instalar equipo de proteccin contra sobrecorrientes de tal forma que reduzca

el efecto de las fallas.

Se deben analizar las dos alternativas para que el servicio al consumidor tenga unnivel de confiabilidad aceptable al ms bajo costo.


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Un sistema de distribucin consiste de un alimentador trifsico principal (troncal)protegido por un interruptor de potencia o restaurador tripolar en la subestacin,un restaurador central en el alimentador principal y circuitos laterales monofsicoso trifsicos conectados al alimentador principal a travs de seccionalizadores ofusibles. Se utilizan cuchillas operadas manual o remotamente para seccionar y

conectar por emergencia con alimentadores adyacentes.

Figura 18: Diagrama unifilar simplificado de un alimentador de distribucin con los diferentes.


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Conclusiones

Los sistemas de proteccin son tan redundantes como se quiera confiabilidad ycontinuidad de servicio sobre el equipo a proteger, generalmente son de estamanera con equipos de alta tensin ya que estos son los principales en un sistema

de distribucin y son los de mayor costo.

La coordinacin debe ser tan estricta como sea posible, ya que el no correctofuncionamiento de las protecciones, puede incidir para que se disipe la falla deuna manera adecuada y rpida, de este modo la falla no va a incidir y derivarse aotras zonas de proteccin, ocasionando que se inhabiliten ms equipos asociadosal sistema.

Cada equipo tiene asociada protecciones con funciones especficas, aunque unequipo puede sintetizar en un mismo modulo todas estas funciones, optimizando

los equipos de control y supervisin.

Bibliografa

1. Ramrez Castao, Samuel.Proteccin de sistemas elctricos. Manizales : Universidad Nacional

de Colombia. Primera edicin.

2. Enrquez Harper, Gilberto.Fundamentos de proteccin de sistemas elctricos por relevadore.

Mxico, D.F. : Limusa, 2002.

3. Carrillo Caicedo, Gilberto.Protecciones Elctricas (Notas de Clase). Bucaramanga : Universidad

Industrial de Santander, 2007.

4. Castiblanco, John Nicolas y Benavides, Cristian.TRABAJO FINAL DE PROTECCIONES. Bogot,

D.C. : UNIVERSIDAD DE LA SALLE, 2005.

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