Protecciones eléctricas Capítulo 1-2

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Protecciones de sistemas Eléctricos

Capítulo 1-2
Introducción

1.1.- IMPORTANCIA Y OBJETIVOS DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIONES
Para comprender la importancia de un Sistema de Protecciones Eléctricas, es necesario referirse a dos aspectos fundamentales a tener en cuenta en el desarrollo de un proyecto para un Sistema Eléctrico de Potencia (SEP), siendo las condiciones normales y anormales de operación, según lo que se expresa a continuación:

Operación bajo Condiciones Normales: El sistema cumple con los requisitos necesarios paraca servir la «Demanda» del consumo de acuerdo un una cierta «Calidad» prefijada de suministro del servicio, cumpliendo con aspectos tales como:
• Capacidad de reserva necesaria para abastecer el aumento de la demanda.
• Niveles de voltaje adecuado. Regulación de voltaje.
• Frecuencia constante.
• Repartición de la carga entre las centrales generadoras de acuerdo a criterios económicos.
• Continuidad de servicio. Confiabilidad de la operación

Operación bajo Condiciones Anormales: Esta condición se produce por:
•Ocurrencia de fallas en el equipo del SEP.
• Ocurrencia de fenómenos incontrolables: Tormenta, descargas atmosféricas, inundaciones, terremotos, etc.
• Errores cometidos por operadores. Frente a la operación anormal, el proyectista de un SEP puede adoptar dos puntos de vista:
1) Incorporar ciertas características al diseño que eliminen las posibilidades de fallas.
2) Permitir la ocurrencia de fallas incluyendo en el proyecto características y elementos que reduzcan el daño causado por las fallas.
El aspecto 1) es prácticamente imposible y no es económicamente justificable; razón por la cual el aspecto 2) es el criterio utilizado. En tal caso se permite la ocurrencia de fallas pero se debe aminorar sus efectos, tanto en el equipo que constituye el SEP como en la calidad del servicio suministrado.

Conclusión: Para la operación de los SEP que cumplan con las condiciones de operación con el grado de «calidad» aceptable y frente a condiciones de ocurrencia de perturbaciones y / o fallas que no comprometan la integridad de los equipos, la seguridad de las personas y la calidad de suministro, se incorpora al proyecto «ciertos» elementos, equipos, dispositivos y / o sistemas que corresponda al denominado “Sistema de Protecciones Eléctricas”, el que constituyen uno de los equipo más importante que se incluye en el SEP.

Definición:
Sistema de Protecciones Eléctricas, es el conjunto de equipos y elementos de un sistema de energía eléctrica que realiza una operación automática frente a la ocurrencia de condiciones anormales de operación con el objeto de salvaguardar la integridad de los equipos y de las personas, así como de mantener las condiciones de operación del Sistema de Energía de modo de cumplir con el «grado de calidad de servicio» aceptable

Objetivo de un sistema de protecciones: Dé acuerdo a la definición anterior, el objetivo es: “Aminorar o eliminar los efectos de las fallas sobre el equipo protegido y las personas, desenergizándolo rápidamente, así como mantener la calidad de servicio al eliminar la condición de operación anormal o de falla y aislar aquellos elementos que por su operación defectuosa pueden producir perturbaciones”.
Del objetivo enunciado, la función de un sistema de protección se puede definir como:
“La detección y rápido aislamiento de la falla o condición anormal de operación que pueda
producir daño a la parte afectada y/o a la carga que alimenta”.

1.2.- CACARCTERÍSTICAS GENERALES DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES
a) Selectividad: Permite discriminar la ubicación del equipo o elemento del Sistema de
Energía Eléctrica afectado y, por consiguiente, actuar de modo de aislarlo del resto
del sistema, el que deberá seguir en operación normal.

b) Rapidez: Operación en el tiempo mínimo posible luego de la ocurrencia de una falla
o condición anormal de operación.
El tiempo de operación es ajustable y depende de la selectividad (temporización
de las protecciones).
Razones de la alta velocidad de operación:
– Se disminuye el daño causado al equipo protegido y/o a las personas.
– Se evita la inestabilidad del sistema.
– Se acorta el tiempo durante el cual el voltaje disminuye.
– Se aumenta la efectividad de la reconexión automática.

c) Sensibilidad: El Sistema de protección debe operar frente a una falla por mínima que
ésta sea.
Una desviación de las condiciones de operación de un Sistema de Energía Eléctrica, respecto de las condiciones normales, implica que el sistema de protección debe operar.

d) Seguridad: El sistema de protección debe garantizar la operación en todos los casos
que sea requerido.

e) Respaldo: Es la condición de un sistema de protección que permite la operación de
una protección secundaria si la que debió operar, por condición de selectividad, no lo
hizo.
f) Coordinación: Es la selección y/o ajuste de los dispositivos de protección para
despejar una falla y/o aislar la parte afectada del sistema. Es la característica de los
equipos de protección de modo que operen selectivamente y otorguen respaldo

1.3.- COMPONENTES DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS
La operación completa de un Sistema de Protecciones implica la realización de ciertas
funciones básicas que permiten diferenciar en forma clara a sus componentes constitutivos
fundamentales. Estas funciones en el diagrama de bloques de la figura 1.1.

Figura 1.1 Diagrama de bloques de un sistema de protecciones

En el caso más frecuente de un SEP, un sistema de protecciones eléctricas, según el esquema anterior, está constituido por:

Figura 1.2 Elementos constitutivos de un sistema de protecciones y diagrama funcional

CAPÍTULO 2
CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LOS COMPONENTES
DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN
2.1.- TRANSFORMADORES DE MEDIDA (TM)
2.1.1.- Introducción:
Los Transformadores de Medida, según lo expresado antes, son los elementos que suministran la información a los relés mediante magnitudes de corrientes y voltajes, sobre el estado del sistema eléctrico.

Objetivos del uso de los TM:
a) Aislar al personal de operación cuando efectúa intervenciones, así como también al equipo eléctrico secundario del equipo eléctrico primario de alta tensión.

b) Disponer de corrientes y voltajes en magnitudes normalizadas: Esto facilita el uso de
instrumentos, protecciones y otros elementos que se deben conectar a estas magnitudes.

c) Permitir efectuar medidas remotas: Por las características de los TM, los instrumentos de
medida se pueden ubicar en lugar relativamente lejano (100 a 150 m) del punto de ubicación de los TM.

d) Permiten efectuar aplicaciones en protecciones y medidas: Mediante la interconexión
adecuada de los secundarios de los TM es posible sumar vectorialmente voltajes y corrientes y obtener la componente de secuencia cero de voltajes y corrientes en condiciones de operación desequilibradas, de gran utilidad en protecciones direccionales contra fallas monofásicas.

Figura 2.1 Medición de voltaje de secuencia cero
Figura.2.2 Medición de corriente de secuencia cero

e) Protección de instrumentos al ocurrir cortocircuitos: Los Transformadores de Corriente
(TCs) para medida presentan un alto grado de saturación. En ellos la saturación se produce para una corriente superior a 1,2 veces la corriente nominal.
Los TCs que no tienen una saturación apreciable con corrientes del orden de 20 a 30 veces la corriente nominal son aplicables en protecciones.
2.1.2.- Características de los Transformadores de Corriente (TC)
En el diseño de transformadores de corriente, la característica del núcleo magnético debe
ser cuidadosamente seleccionada porque la corriente de excitación (Ie) esencialmente se resta de la corriente que se está midiendo, la corriente primaria (Ip), y afecta la razón y el ángulo de fase de la corriente de salida, la corriente secundaria (Is).

Para el análisis considérese el circuito equivalente de la figura 2.3 siguiente

Figura 2.3 Circuito equivalente de un TC con transformador ideal

Dada la característica particular de un TC, la impedancia del circuito primario es despreciable, por tal razón no se incluye en la figura 2.3. En consecuencia, el circuito equivalente referido al primario es:

De acuerdo a la teoría de transformadores, el flujo magnético en el núcleo debe ser constante, por lo que se debe cumplir

De la ecuación (2.1) se deduce que I1 e I2 no se encuentran en la relación exacta de
vueltas, ni tampoco desfasadas 180 (en oposición de fase), ello a causa de la corriente de excitación (I0) necesaria para inducir el flujo mutuo en el núcleo.
De acuerdo a lo expresado, es deseable que I0 sea lo más baja posible, para lo cual los
TCs deben trabajar con densidades de flujo magnético (Bm) bajas (del orden de 500 a 300
Gauss).
El diagrama fasorial siguiente aclara lo expresado antes:

Figura 2.5 Diagrama fasorial de un TC

2.1.2.1.- Característica de la operación de un TC
Considerando que I1 es constante (corriente primaria), del circuito equivalente de la
figura 2.4 se obtiene que I0 depende del valor de Z0 (impedancia de excitación, característica física del TC, tipo de núcleo), y la corriente de carga “a I2” depende de la impedancia de carga conectada (Zc), esto es, de los instrumentos o elementos de protección conectados al TC y más la impedancia de los conductores que conectan el secundario del TC con la carga. La carga conectada a un TC se denomina “BURDEN”.

Por lo tanto, para una variación de la carga se tendrá:
a) Aumento de Zc: Se produce una disminución de con lo cual la razón de corriente
es mayor que la nominal, luego el error de corriente positivo a (a = I 2 I & 1/I2)

b) Disminución de Zc: Se produce un aumento de con lo cual la razón de corriente
es menor que la nominal, luego el error de corriente es negativo. 2 I&
Adicionalmente, una causa importante de error en los TCs es el factor de potencia del
consumo. Esto se explica a partir del diagrama fasorial de la figura 2.5, ya que se observa que el efecto de I0 depende del desfase que ella tenga respecto de I2

Figura 2.6 Diagrama fasorial para error de ángulo cero

 

Por lo tanto, si I2 está desfasada 180° respecto de I0 (I2 en oposición con I0), el error de razón es máximo y el error de ángulo es cero.

 

 

Figura 2.7 Diagrama fasorial para error de razón cero y error de ángulo máximo

El caso opuesto es cuando la razón es exacta (error de razón cero) pero el error de ángulo es máximo, lo que ilustra la figura 2.7

 

 

 

Universidad de Santiago de Chile Profesor Carlos A. Latorre Valladares
Departamento de Ingeniería Eléctrica Protecciones Eléctricas.

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