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7/25/2019 A I P Introduccion Sistemasprot

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A.I: Introduccin a los sistemas de proteccin

Curso: Introduccin a los Sistemas de Proteccin de Sistemas

Elctricos de Potencia

Facultad de Ingeniera - UDELAR

(IIE - UDELAR) Curso: IPROSEP 1 / 48
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Indice

1 Introduccin

2 Funcin de los sistemas de proteccin

3 Caractersticas de los sistemas de proteccin

4 Zonas de proteccin

5 Diseo de subestaciones

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Introduccin

El objetivo de un sistema elctrico de potencia es generar,

trasmitir y distribuir energa elctrica a los consumidores.

En rgimen estacionario este sistema opera cerca de su

frecuencia nominal y las tensiones en todas las barras del mismono varan ms de un 5 %. Existe un balance entre la potencia

activa y reactiva generada y consumida.

El sistema deber ser diseado y operado de manera de entregar

esa energa de la manera ms confiable, segura y econmica.



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Introduccin

A pesar de que el sistema de potencia, est sometido en formaconstante a perturbaciones: cambio en las cargas, cortocircuitos que

pueden ser originados por la naturaleza, por fallas en algn equipo o

como consecuencia de una operacin incorrecta, el mismo mantiene

casi siempre su estado de estacionario y esto es debido a:

- las dimensiones que tiene el sistema de potencia con relacin a

las cargas o generadores.

- las acciones rpidas y correctas realizadas por los rels de

proteccin.

- las acciones de los sistemas de control.

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Introduccin

Un sistema elctrico de potencia est compuesto por:

Generacin

TrasmisinDistribucin

Consumidores (Cargas)



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Introduccin

Sistema elctrico de potencia:

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Introduccin

En el sistema de potencia ocurren cambios en formapermanentemente compensados por los sistemas de control. La

respuesta del sistema de potencia a una perturbacin depende de la

configuracin del mismo y de la severidad de la misma.

Algunas de estas perturbaciones son:Cortocircuitos

Conductor abierto

Sobrecarga

Sobre o sub tensin. . .

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Funcin de los sistemas de proteccin

La funcin de los sistemas de proteccin es detectar faltas y

condiciones anormales de funcionamiento del sistema elctrico depotencia e iniciar las acciones correctivas, lo ms rpido posible, de

manera que el sistema retorne a otro punto de funcionamiento estable.

Los sistemas de proteccin tienen 4 funciones principales:

- Proteger todo el sistema de potencia de manera de mantener lacontinuidad del servicio.

- Minimizar los daos causados por las faltas.

- Aportar a la estabilidad del sistema elctrico.

Estos requerimientos son necesarios, tanto para detectar y localizar

las faltas como para remover de servicio el o los equipamientos en

falta.

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Caractersticas de los sistemas de proteccin

Para poder cumplir con estos requerimientos, los sistemas de

proteccin deben tener la siguiente cualidad:

Confiablidad

Capacidad de un sistema o componente de realizar sus funciones

requeridas bajo condiciones establecidas por un perodo determinado

de tiempo.

Aplicacin a protecciones de sistemas elctricos:

Se aborda la confiabilidad enfocada en el disparo correcto o

incorrecto de las protecciones.

No se trata de la confiabilidad asociada exclusivamente a larotura, defecto o falla de las protecciones o sistemas de

proteccin.

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Confiabilidad o Fiabilidad (Reliability)

Probabilidad de que una funcin, rel o sistema de proteccin cumpla

sin fallar la funcin para la cual fue destinado, durante un perodo detiempo, cuando est siendo sometido a exigencias dentro de sus

lmites operacionales.

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La confiabilidad tiene dos aspectos:

Dependability (Dependabilidad):Probabilidad de que una funcin, rel o sistema de proteccin

opere correctamente (no deje de operar) en el caso de una falta o

defecto en el sistema de potencia, dentro de la zona que protege.

Es la faceta de la confiabilidad que indica el grado en que lafuncin, equipo o sistemaopera correctamente cuando debera

operar.

Security (Seguridad):

Probabilidad de que una funcin, rel o sistema de proteccin NO

dispare incorrectamente, habiendo o no falta o defecto en el

sistema elctrico protegido.



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Se trata tanto de:

el disparo intempestivo (incorrecto) cuando no hay falta o defecto

o condicin anormal

el disparo incorrecto cuando s hay falta o defecto o condicin

anormal

en la zona protegida del sistema elctrico.

Es la faceta de la confiabilidad que indica el grado en que la funcin,

equipo o sistemano dispara cuando no debera operar.

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La confiabilidad tambin incluye:

Velocidad:

Operar rpidamente cuando deber hacerlo, para minimizar los daos yaportar a la estabilidad.

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Combinaciones bsicas de equipos y su efecto en la confiabilidad

Ejemplo numrico:

Nombre delarreglo

Dependability 1-Security

Probabilidaddel disparodeseado

Probabilidadde disparono deseado

Equipo solo 0.940 8.00E-03

2 equiposcon disparosen paralelo

One-out-of-two

0.996 1.59E-02

2 equiposcon disparosen serie

Two-out-of-two

0.884 6.40E-05

Votacin pormayora, 2de 3 equipos

Two-out-of-three

0.990 1.91E-04



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Disponibilidad

Es el porcentaje del tiempo en que un equipo o sistema est

operativo o disponible para su uso.

Las protecciones numricas con su importante capacidad de

autodiagnstico (self-check) permiten su alta disponibilidad, al

reportar cuando fallan.

En protecciones con tecnologas anteriores que no tenan

posibilidad de autodiagnstico o que su autodiagnstico era

limitado a algunas partes del hardware o software, podan estar

indisponibles sin que se supiera.


D
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Disponibilidad

La deteccin de dichas fallas ocultas se producira entonces recin

cuando:

Se ensaya el rel como parte de rutinas peridicas de

mantenimiento detectivo o bsqueda de fallas.

Peor an cuando hay una falta en el equipo protegido y la

proteccin no dispara o lo hace de manera no predeterminada.


Z d i


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Zonas de proteccin

Los rels de proteccin generalmente toman sus medidas de

transformadores de medida de corriente, y suzona de proteccin

est limitada por esos transformadores.

Los transformadores de medida de corriente le proporcionan una

ventana por la cual el rel de proteccin vecomo se comporta

el sistema de potencia dentro de su zona de proteccin.


Z d t i


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Zonas de proteccin

Para poder cubrir todos los equipos de potencia por los sistemas de

proteccin, las zonas de proteccin deben cumplir con los siguientes

requerimientos:

Todos los equipos de potencia deben estar comprendidos en por

lo menos una zona de proteccin. En la prctica, los equipos ms

importantes estn incluidos en al menos dos.

Las zonas de proteccin deben superponerse para prevenir que

ningn elemento del sistema quede sin proteccin.


Z d t i t i i t d


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Zonas de proteccin tpicas en un sistema de

potencia

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Proteccin principal de respaldo
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Proteccin principal y de respaldo

Proteccin principal:

Sistema de proteccin que opera frente a faltas en la zona

protegida, lo ms rpido posible sacando de servicio la menorcantidad de equipamiento posible.


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Proteccin de respaldo:

Equipo o sistema de proteccin el cual debe operar cuando una

falta en el sistema de potencia no es eliminada en el tiempo

esperado debido a fallas o incapacidad del sistema principal de

proteccin de operar o en caso de falla del interruptor.

En caso de incapacidad del sistema principal de proteccin deoperar tambin puede ocurrir que la proteccin de respaldo se

habilite y opere en forma instantnea.

Las protecciones de respaldo incluye protecciones de respaldo

remotas, locales y falla de interruptor. Falla de interruptor se definecomo la falla del interruptor al abrir o interrumpir la corriente cuando

recibe una seal de disparo.


Respaldo local y remoto
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Respaldo local y remoto

El objetivo de las protecciones de respaldo es abrir todas las fuentes

de alimentacin a una falta no despejada en el sistema. Para realizaresto en forma eficiente las protecciones de respaldo deben:

Reconocer la existencia de todas las faltas que ocurren dentro de

su zona de proteccin.

Detectar cualquier elemento en falla en la cadena deprotecciones, incluyendo los interruptores.

Iniciar el disparo de la mnima de cantidad de interruptores

necesarios para eliminar la falta.

Operar lo suficientemente rpido para mantener la estabilidad del

sistema, prevenir que los equipos se daen y mantener la

continuidad del servicio.


Respaldo remoto


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Respaldo remoto

Histricamente, las protecciones de respaldo se han ubicado en las

estaciones adyacentes o remotas. Sin embargo, como los sistemas

han crecido en complejidad, tambin han crecido las dificultades paraaplicar protecciones de respaldo remoto.


Respaldo remoto


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Respaldo remoto

En el diseo de los sistemas de proteccin de respaldo, se deben

considerar:Selectividad: El respaldo remoto proporciona poca selectividad. Para una

falla en un interruptor, todas las lneas que alimentan la faltadeben abrir en su extremo remoto; con lo cual una gran partedel sistema se desconecta.

Sensibilidad: El respaldo remoto proporciona poca sensibilidad. Como elnmero de lneas que alimentan las estaciones ha crecido, lacorriente de falta por cada lnea ha decrecido. Con lo cual parapoder operar el ajuste de corriente debe bajarse,comprometiendo la corriente de carga mxima que puede

circular.Velocidad: El respaldo remoto debe ser lento para permitir que los rels

principales operen.


Respaldo local y falla interruptor


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Respaldo local y falla interruptor

El respaldo local est ubicado en la misma estacin. Se basa enla filosofa que todas las fallas del sistema de proteccin principal

deberan detectarse en la fuente de la falla y las acciones

correctivas deben hacerse localmente.

Si las protecciones principales fallan, las protecciones de

respaldo local disparan el interruptor.

Si el interruptor falla, tanto las protecciones principales como las

de respaldo inician la proteccin de falla de interruptor para

disparar los interruptores adyacentes al interruptor en falla y

enviar una seal de transferencia de disparo al interruptor delextremo remoto.


Sistemas de proteccin redundantes
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Sistemas de proteccin redundantes

Los sistemas de proteccin redundantes tambin son llamados

sistemas funcionalmente equivalentes.

Es comn en partes crticas del sistemas de potencia, contar con

sistemas redundantes de proteccin, generalmente llamados

Sistema 1 y Sistema 2 (Main 1 & Main 2) disparando con elcriterio one-out of two (paralelo).

Los sistemas redundantes aumentan la Dependabilidad (operar

cuando se debe operar), pero es muy posible que bajen la

Security (disparar cuando no se debe operar).


Interdependencia
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Interdependencia

Es la probabilidad de que, ante un defecto en el sistema de

potencia, un sistema de proteccin responda de igual manera (en

el sentido que responde correcta o incorrectamente) que otro

sistema de proteccin en la misma ubicacin y ante el mismo

defecto. Es importante considerar la conveniencia de que la

interdependencia entre ambos sistemas debe ser baja, de

manera de minimizar que ninguno de los dos sistemas despeje un

defecto dado.


Interdependencia


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Interdependencia

Para lograr una interdependencia baja es comn que ambossistemas de proteccin:

tengan distintas bateras de alimentacin o al menos distintos

circuitos de alimentacin,

midan corrientes de distintos ncleos de TIs,midan tensiones de distintos bobinados de TVs

estn en diferentes paneles,

disparen distintas (o ambas) bobinas de apertura del interruptor,

etc.


Subestacin: Definicin


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Definicin de subestacin

Una subestacin elctrica es un conjunto situado en el mismo lugar,

de equipamiento elctrico y de los edificios necesarios para realizar

algunas de las siguientes funciones:

- transformacin de la tensin

- transformacin de la frecuencia

- cambio de la configuracin del sistema

- cambio de un sistema en otro AC/DC


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Diseo de las subestaciones:

Subestaciones areas: Instaladas en locales abiertos. Requieren deequipamiento diseado para operar en condiciones

ambientales adversas.

Subestaciones interiores: Instaladas en locales cerrados. El

equipamiento elctrico est protegido frente a losagentes atmosfricos, las distancias son menores y nos

ms caras.

Subestaciones blindadas: Instaladas en locales cerrados. Todo el

equipamiento esta aislado en gas, SF6. El espacio

requerido es muy reducido y son utilizadas en las

ciudades.


Tensiones nominales y tensiones de servicio
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Tensiones nominales y tensiones de servicio

Latensin nominalde un sistema se define como aquella con la

cual se designa el sistema y a la cual se referencian las

caractersticas de operacin.

Latensin de servicioen un punto cualquiera de un sistema

elctrico es el valor realmente existente en dicho punto, en uninstante determinado.

La tensin de servicio de una red no permanece constante sino

que vara de acuerdo con las condiciones de funcionamiento del

sistema elctrico.


Equipamiento de las subestaciones
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q p

La estructura bsica de una subestacin contiene los siguientes

equipamientos:Barras

Equipamiento de maniobra: Seccionadores e Interruptores

Transformadores de medida: Corriente y Tensin

Compensacin de potencia reactiva

Pararrayos, descargadores

Malla de puesta a tierra

Sistemas de proteccin, control y monitoreo

Transformadores de potencia

etc.




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q p

Barras: La funcin de las barras es la de interconectar varioscomponentes de una subestacin para formar la

configuracin requerida de la misma.

Equipamiento de maniobra: La funcin del equipamiento de

maniobra es conectar y desconectar elementos de la

subestacin del resto del sistema de potencia. Algunosde estos equipamientos, como losinterruptores, son

capaces de interrumpir corrientes de falta. Otros

equipamientos, como losseccionadores, pueden

conectar o desconectar corrientes del orden de la

corriente de carga u operar cuando no circula corriente.


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q p

Transformadores de medida: La funcin de los transformadores de

medida,transformadores de medida de corriente y

transformadores de medida de tensin, es la de

proporcionar tensiones y corrientes de baja magnitud

para ser usadas en los sistemas de proteccin y en losequipamientos de medida y aislar galvnicamente. Estos

valores de tensin y corriente son proporcionales a los

valores de tensin y corriente que existen en las barras y

equipamiento de la subestacin.


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q p

Equipamiento de compensacin de reactiva: Para compensar la

reactiva en el sistema de potencia, se debe utilizar

grandes cantidad de potencia reactiva inductiva ocapacitiva. El equipamiento tpico para la compensacin

de reactiva incluye los bancos de condensadores y de

reactores.

Pararrayos, descargadores: Los pararrayos son los elementos deproteccin de los equipos de las subestaciones contra

descargas atmosfricas y proteccin contra

sobretensiones.

Malla de puesta a tierra: La malla o red de puesta a tierra suministra

la adecuada proteccin al personal y al equipamiento quedentro o fuera de la subestacin pueden quedar

expuestos a tensiones peligrosas cuando se presentan

faltas a tierra en la instalacin.


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Sistemas de proteccin, control y monitoreo: Un sistema de

proteccin, control y monitoreo se define como un

conjunto formado por los dispositivos de medida,

indicacin y sealizacin, la regulacin, el control manual

y automtico.

Transformadores de potencia: Los transformadores de potencia

transfieren la potencia a diferentes valores de tensin,

niveles de trasmisin y niveles de distribucin.


Tipo de subestaciones
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Subestaciones de generacin: subestaciones que sirve comoconexin a una central generadora.

Subestaciones de maniobra: subestaciones que sirve para

interconectar sistemas o dentro de un sistema en la que

distribuye la energa a subestaciones de transformacin.

Subestaciones de transformacin: subestaciones cuyo objetivo esel de suministra energa a un sistema con un nivel de

tensin diferente. Estas subestaciones pueden ser

elevadoras, cuando la tensin de salida es ms elevada

que la de entrada, o de lo contrario sera una subestacinreductora, de distribucin o carga.


Configuracin de las subestaciones:
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Los equipamientos y las barras de una subestacin estn

dispuestas y conectados de una manera especfica para

determinar una ciertaconfiguracinde barras; de tal forma que su

operacin permita dar a la subestacin diferentes grados deconfiabilidad y flexibilidad de operacin, transformacin y

distribucin de cargas y facilitar la indisponibilidad de equipos.


Barra simple
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Barra simple
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La subestacin posee una sola barra a la cual se conectan las

diferentes secciones por medio de un interruptor.

Ventajas:

Econmica

Fcil de proteger

Ocupa poco espacio

Simple

Desventajas:

Falta de confiabilidad

Falta de seguridad

Falta de flexibilidad, teniendo que suspender el servicio para

realizar mantenimiento


Barra principal y barra de transferencia
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Barra principal y barra de transferencia


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Para mejorar la confiabilidad por falla en interruptores de la

configuracin de barra simple, a sta se le agrega una barra de

transferencia, a cada seccin un seccionador de transferencia para la

conexin a dicha barra y un interruptor para unir las barras.

Ventajas:

Econmica

Mejor flexibilidad para el mantenimiento, que la configuracin de

barra simple

Mejor confiabilidad, que la configuracin de barra simple

Desventajas:

Mantiene las limitaciones de la configuracin de barra simple


Doble barra
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Doble barra
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Para aumentar la flexibilidad a la barra sencilla se adiciona una

segunda barra principal y un interruptor para el acoplamiento de lasdos barras.

Ventajas:

Mejor flexibilidad para el mantenimiento, que las configuraciones

anteriores

Mejor confiabilidad, que las configuraciones anteriores

Desventajas:

Mayor costo que las configuraciones anteriores


Anillo
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Anillo


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En esta configuracin la barra es una anillo conformado por

interruptores, con las secciones conectadas cada dos de ellos. Para

aislar una seccin es necesaria la apertura de los dos interruptorescorrespondientes, abrindose as el anillo.

Ventajas:

Econmica

Segura y confiable para permitir continuidad del servicio por faltao mantenimiento

Desventajas

Durante una falta o mantenimiento el anillo queda dividido y se

pierde la seguridad en el sistema.

Se dificulta la implementacin de los sistemas de proteccin

porque se debe trabajar con dos interruptores


Interruptor y medio


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Interruptor y medio


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Esta configuracin debe su nombre al hecho de exigir tres

interruptores por cada dos secciones. El grupo de los tres interruptores

se le llama tramoy se conecta entre dos barras principales.

Ventajas:

Se puede hacer mantenimiento a cualquier interruptor sin

suspender el servicio.

Muy confiable, una falta en una barra no suspende el servicio.

Desventajas

Se dificulta la implementacin de los sistemas de proteccin

porque se debe trabajar con dos interruptores y el interruptor

intermedio comparte dos secciones.

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