simulación de un restaurador para redes eléctricas de

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS

Simulación de un restaurador para redes eléctricas de Distribución.

Proyecto de ingeniería

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

INGENIERO ELECTRICISTA

P R E S E N T A

GÓMEZ CRISPIN GUSTAVO

RESENDIZ RICARDEZ JULIÁN MARTÍN

ASESOR TÉCNICO: M. en C. Manuel Águila Muñoz

ASESOR METODOLÓGICO: M. en C. Siddhartha Estrella Gutiérrez.

MÉXICO, CDMX, 2018

2

INDICE Introducción. .......................................................................................................... 6

Objetivo general. .................................................................................................... 7

Objetivos particulares. ............................................................................................ 7

Justificación. .......................................................................................................... 7

Antecedentes. ........................................................................................................ 9

Alcance. ............................................................................................................... 10

1. Generalidades del Sistema Eléctrico de Potencia. ........................................... 11

1.1 Sistema eléctrico de potencia (SEP) .............................................................. 12

1.1.1 Generación: ................................................................................................ 12

1.1.2 Transmisión: ............................................................................................... 12

1.1.3 Subestación: ............................................................................................... 12

1.1.4 Distribución: ................................................................................................ 13

1.1.5 Consumo: .................................................................................................... 13

1.2 Elementos importantes en los SEP. ............................................................... 13

1.2.1 Estabilidad de la tensión. ............................................................................ 13

1.2.2 Continuidad en el servicio. .......................................................................... 13

1.2.3 Distorsión de la forma de onda. ................................................................... 13

1.2.4 Frecuencia constante. ................................................................................. 14

1.2.5 Sistema de distribución. .............................................................................. 16

1.2.5.A Sistemas de distribución industrial. .......................................................... 17

1.2.5.B Sistema de distribución comercial. ........................................................... 17

1.2.5.C Sistema de distribución urbana. ............................................................... 18

1.2.5.D Sistema de distribución rural. ................................................................... 18

1.3 Elementos que conforman la red o sistema de distribución. ........................... 18

1.3.1 Circuito Primario y circuito Secundario. ....................................................... 18

1.3.2 Sistema radial ............................................................................................. 19

1.3.3 Sistema de anillos. ...................................................................................... 20

1.4 Fallas eléctricas en los sistemas de distribución. ........................................... 21

1.4.1 Falla de fase a tierra.................................................................................... 22

1.4.2 Falla de fase a fase. .................................................................................... 23

1.5 Función de la protección. ............................................................................... 24

1.6 Protección de sobre corriente. ........................................................................ 24

3

1.7 Dispositivos para protección de sobre corriente en redes de distribución. ...... 25

1.7.1 Fusible limitador de corriente. ..................................................................... 25

1.7.2 Relevadores de sobre corriente. ................................................................. 26

1.7.3 Seccionalizador automático......................................................................... 28

1.7.4 Interruptor de potencia. ............................................................................... 28

1.7.5 Restaurador automático. ............................................................................. 29

1.7.5.A Tipos de restauradores ............................................................................ 31

2. Módulo de restaurador en el programa PSCAD. .............................................. 34

2.1 Especificaciones para la realización del modulo ............................................ 35

2.2 ¿Qué es PSCAD? .......................................................................................... 35

2.3 Selección de las curvas del restaurador ......................................................... 35

2.3.1 Especificación del pick up. .......................................................................... 38

2.3.2 Caracterizas de la protección. ..................................................................... 38

2.4 Creación del módulo del restaurador. ............................................................. 38

2.5 Sistema eléctrico. ........................................................................................... 39

2.5.1 Sección de medición ................................................................................... 41

2.5.2 Medición de tensión .................................................................................... 41

2.5.3 Medición de corriente .................................................................................. 42

2.6 Lógica del restaurador.................................................................................... 43

2.6.1 Sección de operaciones rápidas ................................................................. 44

2.6.2 Operaciones lentas ..................................................................................... 46

2.7 Sección de compuertas. ................................................................................. 47

3. Pruebas de fallas eléctricas simuladas en el módulo del restaurador. .............. 52

3.1 Desarrollo de pruebas en el módulo de restaurador. ...................................... 53

3.2 Pruebas en el módulo del restaurador en condiciones normales (sin fallas)... 53

3.3 Pruebas en el módulo del restaurador en condiciones de falla temporal. ....... 57

3.3.1 Falla de fase a tierra dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas. ... 57

3.3.2 Falla entre dos fases dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas. .. 60

3.3.3 Falla de tres fases a tierra dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas.............................................................................................................................. 63

3.4 Pruebas en el módulo del restaurador en condiciones de falla permanente. .. 66

3.4.1 Falla de fase a tierra dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas. ... 66

3.4.2 Falla entre dos fases una operación rápida y dos operaciones lentas. ........ 69

4

3.4.3 Falla de tres fases a tierra dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas.............................................................................................................................. 72

4. Estudio económico, conclusiones y propuestas a trabajos futuros. .................. 75

4.1 Estudio económico. ........................................................................................ 76

4.2 Conclusiones de proyecto. ............................................................................. 78

4.3 Propuestas para trabajos futuros. .................................................................. 80

Anexos. ................................................................................................................ 81

Acrónimos. ........................................................................................................... 87

Bibliografía: .......................................................................................................... 88

INDICE DE FIGURAS.

Figura 1. Porcentaje de las fallas en un sistema eléctrico de potencia. ................ 14

Figura 2. Probabilidades de falla en los elementos. ............................................. 15

Figura 3. Red radial.............................................................................................. 19

Figura 4. Sistema en anillo. .................................................................................. 21

Figura 5. Falla de fase a tierra. ............................................................................ 22

Figura 6. Falla de fase a fase. .............................................................................. 23

Figura 7. Proporción de la corriente de falla según la distancia de la fuente. ....... 25

Figura 8. Zona de operación de los fusibles. ........................................................ 26

Figura 9. Tipos de relevadores de sobre corriente. .............................................. 26

Figura 10. Disco de inducción en un relevador electromecánico de sobre corriente de tiempo inverso. ................................................................................................ 27

Figura 11. Interruptor de potencia ........................................................................ 28

Figura 12. Curvas de tiempo-corriente para restauradores .................................. 30

Figura 13. Operación de cierres y recierres de un restaurador. ............................ 31

Figura 14. Curva moderadamente inversa operaciones lentas. ............................ 36

Figura 15. Curva muy inversa operaciones rápidas.............................................. 37

Figura 16. Sistema eléctrico para el restaurador. ................................................. 39

Figura 17. Sistema eléctrico para el restaurador, con implementación del módulo de fallas. ................................................................................................................... 40

Figura 18. Medidores de tensión en valores RMS. ............................................... 41

Figura 19. Representación gráfica de las tensiones. ............................................ 42

Figura 20. Medidores de corriente RMS. .............................................................. 42

5

Figura 21. Graficas de corriente. .......................................................................... 43

Figura 22. Operaciones rápidas. .......................................................................... 45

Figura 23. Operaciones lentas. ............................................................................ 46

Figura 24. Sección de compuertas. ...................................................................... 47

Figura 25. Contadores. ........................................................................................ 48

Figura 26. Forma de crear el nuevo componente. ................................................ 48

Figura 27. Sección de creación de entradas y salidas.......................................... 49

Figura 28. Asignación de nombres a las variables. .............................................. 49

Figura 29. Señales. .............................................................................................. 50

Figura 30. Implementación del módulo. ............................................................... 50

Figura 31. Modulo. ............................................................................................... 51

Figura 32. Mediciones de las corrientes de cada una de las fases. ...................... 54

Figura 32-A. Mediciones de las corrientes de cada una de las fases con acercamiento para poder apreciar las ondas senoidales. ..................................... 55

Figura 33. Estado de operación de cada uno de los interruptores. ....................... 56













INDICE DE TABLAS.

Tabla de costos para el proyecto. ........................................................................ 77

6

Introducción.

En la actualidad, la competitividad de un mundo globalizado exige cada vez mejores productos, ante esta realidad el sector eléctrico no es ajeno. La industria ve a la energía eléctrica como uno de sus insumos vitales e importantes para su proceso productivo. Como tal, este insumo debe de estar sujeto a requerimientos de control de calidad, confiabilidad en el suministro, etc. Estos requerimientos se llamaran “CALIDAD DE LA ENERGÍA”. [1]

La creciente tendencia de un gran aumento demográfico e industrial las actividades comerciales exigen cada vez más un suministro de energía con alto grado de confiabilidad, es por ello se requiere un sistema de protecciones para evitar o detectar de manera oportuna una situación anormal o de falla. [2]

Por lo que las industrias que producen la energía eléctrica se vieron obligadas a diseñar equipos que permitieran que el suministro de energía eléctrica fuera constante y seguro. La seguridad no solo es para garantizar el suministro de energía eléctrica, también para proteger los equipos de los usuarios de eventuales descargas eléctricas o sobre corrientes ocasionadas por una falla, las cuales podían durar desde unos cuantos ciclos hasta algunos segundos, de ahí que uno de los equipos más utilizados para garantizar la restauración del servicio han sido los restauradores eléctricos.

Una falla la podemos denominar como una anormalidad que ocasiona diferentes problemas al SEP, por ejemplo, la disminución de la tensión nominal en el sistema, el sobrecalentamiento en los conductores, la variación de la frecuencia en un régimen mayor al 5%, entre otras.

Espacio intencionalmente dejado en blanco.

7

Objetivo general.

Desarrollar un módulo digital que permita simular las características de operación de un restaurador para protección de sobre corriente en redes eléctricas de distribución. Se analizará el comportamiento del módulo en diferentes escenarios de operación de una red eléctrica propuesta.

Objetivos particulares.

• Investigar los tópicos referentes a protección de sobre corriente en redes eléctricas de distribución.

• Desarrollar, con bloques y elementos del software PSCAD-EMTDC, el módulo digital para simular un restaurador de protección.

• Proponer un esquema de pruebas para validar la operación del módulo. • Determinar y desarrollar en el simulador, la red eléctrica de distribución

donde se realizarán las pruebas. • Analizar el comportamiento del módulo en diferentes escenarios: régimen

nominal, corto circuito (monofásico, bifásico y trifásico), fallas permanentes y fallas de corto tiempo.

Justificación.

Con el aumento demográfico y el uso de diversos dispositivos tecnológicos, su uso y el consumo de energía eléctrica por lo que las líneas de transmisión eléctrica son de vital importancia en la actualidad, ya que gran parte del soporte económico de un país depende de las industrias, las cuales no se pueden dejar sin abastecimiento eléctrico.

La suma de inversiones en la generación y la distribución supera el 80% de las inversiones totales del sistema eléctrico de potencia. Es fácil suponer que la mayor repercusión económica se encuentra en el sistema de distribución, ya que la potencia generada en las plantas del sistema eléctrico se consume entre un gran número de usuarios. [4]

Por lo cual se necesita un sistema de protección en toda la red eléctrica ya sea desde la generación, transmisión distribución y hasta el consumo. Para definir la operación del sistema de protección, se debe considerar que este sea ajustado y

8

totalmente adaptado a todas las condiciones probables de operación, así como las condiciones indeseadas del sistema.

Las simulaciones se emplean para- poder apreciar la efectividad de los dispositivos de protección, además de poder observar cómo afectan o benefician los cambios que se realizarían en el sistema eléctrico. El desarrollo de las simulaciones ayudará a saber cómo actuarán los dispositivos de protección ante alguna anormalidad en dicho sistema.

Uso de simuladores como herramienta didáctica

La simulación es una técnica numérica que permite realizar experimentos en una computadora, para lo cual se requieren modelos matemáticos y lógicos que describen el comportamiento de sistemas: económicos, sociales, biológicos, físicos o químicos a través de periodos de tiempo. Simular es la acción de imitar la operación de un proceso o sistema real para comprender el comportamiento de las variables del sistema y sus interrelaciones. Las ventajas que ofrecen los simuladores en la comprensión de los sistemas y su funcionamiento son numerosas y adecuadas para aprovecharse en el desarrollo de las habilidades de los estudiantes, especialmente en las ingenierías. [5]

Para el aprendizaje de la electricidad y la electrónica, hoy en día resulta imprescindible la utilización de simuladores por ordenador, que permiten realizar diseños y muestran el funcionamiento de los circuitos de forma virtual antes de su montaje con componentes reales.

Son muchos los simuladores de escritorio que se utilizan en distintos niveles educativos. Algunos ejemplos de los simuladores eléctricos que podemos encontrar en línea son:

CircuitLab.

Es una aplicación muy reciente y ya está recibiendo muy buenas críticas por su sencillez de uso. Permite diseñar muchos tipos de circuitos analógicos y digitales, simularlos, realizar cálculos, guardar los diseños y compartirlos con la comunidad.

The Logic Lab.

Este sencillo simulador online de circuitos digitales permite guardar los diseños realizados. Cuando guardamos el diseño, el programa nos proporciona una URL a la que podemos acceder para ver de nuevo la simulación o continuar modificando nuestro circuito.

9

DC/AC Lab.

Es una aplicación para construir circuitos sencillos y observar su comportamiento. No utiliza símbolos, sino dibujos de los componentes reales, pero podemos realizar mediciones con un multímetro u observar la señal en un osciloscopio.

Ohm Zone.

Es otro sencillo simulador de circuitos eléctricos. Permite medir la intensidad de corriente o el voltaje en diferentes puntos del circuito y puede resultar útil para comprender la ley de Ohm en educación secundaria.

Hay que añadir que estos u otros simuladores, aunque son imprescindibles hoy en día, no deben sustituir la construcción real de circuitos eléctricos y electrónicos, la realización de prácticas y proyectos con los componentes físicos reales, pues en ellos se ponen en juego competencias y habilidades imposibles de desarrollar delante de la pantalla de un ordenador. [6]

El uso de simuladores en el entorno de la ingeniería complementa ampliamente, el entendimiento y la forma en la que se comporta un SEP ya que el impacto de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) y las fuertes repercusiones en el ámbito educativo del enfoque de un mundo digital y globalizado, traen consigo la necesidad de realizar cambios en la práctica docente, particularmente en lo que se refiere al trabajo en el aula. Es inminente la necesidad de analizar la ayuda que pueden dar las nuevas tecnologías como recurso didáctico y como medio para la transferencia de conocimiento. [7]

Antecedentes.

Tradicionalmente, la coordinación de protecciones en sistemas eléctricos ha consistido en la aplicación de procedimientos heurísticos mediante los cuales se busca empíricamente la optimización. Estos algoritmos se ejecutan en forma manual o con software comercial que asiste en forma gráfica el proceso manual. Por lo tanto, no existe el planteamiento de un conjunto de ecuaciones que describa el problema de coordinación para buscar la solución óptima mediante técnicas analíticas o numéricas. Tampoco se conoce si la solución obtenida mediante dichos procedimientos es óptima, puesto que no se analiza todo el espacio-solución posible del problema [8].

Existen diferentes programas computacionales para la simulación en líneas de transmisión como: Alternative Transient Program (ATP), Software ABCD, DLTCAD, REDCAD, QuickField entre otros. Con lo anteriormente mencionado se busca resaltar la importancia de la simulación de protecciones en la actualidad.

http://www.dcaclab.com/en/lab/

http://www.article19.com/shockwave/oz.htm

10

Alcance.

Tener un restaurador de distribución implementado a través de la creación de un módulo en PSCAD, ya que dicho restaurador no se encuentra en el programa, así de esa forma poder darle una mayor aplicación al programa con esta nueva herramienta. Teniendo el módulo que simule al restaurado el cual sea lo más parecido a restauradores reales. Una vez realizado este restaurador a través del módulo, se llevarán a cabo, una serie de simulaciones bajo diferentes condiciones de fallas eléctricas, realizando la serie de simulaciones se darán a conocer los resultados obtenidos del restaurador.


11

1. Generalidades del Sistema Eléctrico de

Potencia.

12

1.1 Sistema eléctrico de potencia (SEP)

El sistema eléctrico de potencia es el conjunto de elementos que se encargan de generar, transmitir y consumir energía.

Los sistemas eléctricos de potencia (SEP) son claves para el bienestar y el progreso de la sociedad moderna. Éstos permiten el suministro de energía eléctrica con la calidad adecuada para manejar motores, iluminar hogares y calles, hacer funcionar plantas de manufacturas, negocios, así como para proporcionar potencia a los sistemas de comunicaciones y de cómputo. El punto de inicio de los sistemas eléctricos son las plantas generadoras que convierten energía mecánica a energía eléctrica; esta energía es entonces transmitida a grandes distancias hacia los grandes centros de consumo mediante sistemas de transmisión; finalmente, es entregada a los usuarios mediante redes de distribución. [9]

Un sistema eléctrico está compuesto, en términos generales, por los siguientes subsistemas:

• GENERACIÓN. • TRANSMISIÓN. • SUBESTACIONES. • DISTRIBUCIÓN. • CONSUMO.

1.1.1 Generación: La energía eléctrica se genera en las Centrales Eléctricas. Una central eléctrica es una instalación que utiliza una fuente de energía primaria para hacer girar una turbina que, a su vez, hace girar un alternador, que produce energía en corriente alterna sinusoidal a voltajes intermedios, entre 6kV y 23 kV. [10]

1.1.2 Transmisión: La energía se transporta, frecuentemente a gran distancia de su centro de producción, a través de la Red de Transporte, encargada de enlazar las centrales con los puntos de utilización de energía eléctrica. Para un uso racional de la electricidad es necesario que las líneas de transporte estén interconectadas entre sí con estructura de forma mallada, de manera que puedan transportar electricidad entre puntos muy alejados, en cualquier sentido. Estas líneas están generalmente construidas sobre grandes torres metálicas y a tensiones superiores a 66 kV. [10]

1.1.3 Subestación: Las instalaciones llamadas subestaciones son las plantas transformadoras que se encuentran junto a las centrales generadoras (Subestación elevadora) y en la periferia de las diversas zonas de consumo (Subestación reductora), enlazadas entre ellas por la Red de Transmisión. [10]

13

1.1.4 Distribución: Las redes de distribución de energía se encuentran en áreas urbanas y rurales, pueden ser aéreas, o subterráneas (estéticamente mejores, pero más costosas). La red de distribución está formada por la red en media tensión (suele estar comprendida entre) y en baja tensión (V). [10]

1.1.5 Consumo: Los centros de consumo de la energía eléctrica son todos aquellos lugares donde se utiliza la energía eléctrica para realizar una tarea, y dicha energía eléctrica puede suministrarse en baja o media tensión como por ejemplo: las casas habitación, empresas, hospitales, centros comerciales entre otros [10]

1.2 Elementos importantes en los SEP.

El sistema eléctrico de potencia (SEP) tiene como finalidad suministrar energía de calidad a los usuarios, considerar los siguientes puntos:

1.2.1 Estabilidad de la tensión. Esto hace referencia a las variaciones de la tensión debido a varios factores entre los cuales podemos encontrar las sobretensiones por descargas atmosféricas, por maniobra con la apertura y cierre de interruptores o también por efecto de los armónicos los cuales son producidos por los tipos de cargas que se conectan a la red como es el caso de computadoras, los variadores de frecuencia entre otros aparatos electrónicos.

1.2.2 Continuidad en el servicio. Son las interrupciones que se tienen en el servicio de suministro de energía eléctrica a lo largo de cierto tiempo, generalmente podemos referirnos a un año, esto es demasiado importante ya que varias fábricas acereras, de procesos químicos, hospitales o grandes bancos, no se pueden dejar sin energía durante un largo periodo ya que ocasiona grandes pérdidas de dinero, maquinara, vidas humanas entre otros.

1.2.3 Distorsión de la forma de onda. Hablamos de los eventos que provocan la distorsión en la forma de onda sinusoidal, tales como: transitorios, distorsión armónica, ruido.

14

1.2.4 Frecuencia constante. Aquí se menciona la frecuencia que es conforme al tipo de energía, según el cómo se produzca por ejemplo la energía solar que proviene de las celdas fotovoltaicas, es corriente directa y con la electrónica de potencia podemos cambiar a corriente alterna de 60 Hz que es lo común que encontraremos en nuestro país, la energía hidráulica se genera a través del generador y la turbina conforme se deje salir el agua y mueva a la turbina podremos controla las frecuencia del sistema para que se encuentren acoplados estos generadores al sistema en si la frecuencia no debe variar de un + 10%. El 95% de las fallas ocurren de una fase a tierra, o bien, por descargas atmosféricas, o por problemas de aislamiento, contaminación, animales, hilos de guarda caídos y por vandalismo. [11]

Figura 1. Porcentaje de las fallas en un sistema eléctrico de potencia.

En la figura 1, se puede observar el porcentaje de manera relativa de las fallas en un sistema de potencia y es claro que la mayoría de las fallas ocurre de manera monofásica, mientras que de manera trifásica no es muy común que esta ocurra, pero al existir dichas posibilidades, nuestro sistema debe de estar preparado lo mejor posible contra ello. [11]

80%

15%

5%

Estadística de fallas en sistemas de potencia

Falla monofásica

Falla bifásica

Falla trifásica

15

En la Figura 2, ahora vamos a mostrar la probabilidad de una falla, pero en los elementos de nuestro sistema de potencia.

Figura 2. Probabilidades de falla en los elementos.

Con lo anterior se puede resaltar la importancia del tema de tesis ya que se basará en la protección a las líneas de distribución, y como se puede observar estas tienen un alto porcentaje de problemas. Lo cual genera la necesidad de realizar un estudio de la protección a través de un simulador en las líneas de distribución.

Usualmente, el costo de las pérdidas en producción es mayor que el costo de los daños físicos en el equipo involucrado en una falla eléctrica. Por lo tanto, es importante para la operación de las líneas de distribución que el sistema eléctrico sea diseñado adecuadamente, para que el equipo de protección aplicado aísle rápidamente las fallas con una mínima interrupción del servicio.

La protección de un sistema eléctrico de potencia puede visualizarse como una forma de póliza de seguro, aunque no se observa la ventaja de ello mientras no ocurra una falla u otra emergencia similar. Pero cuando ocurre una falla puede comprobarse dicha ventaja por la reducción de la interrupción, tanto en extensión como en duración de la misma, así como el riesgo de lesiones del personal o daños a las propiedades. [11]

El capital invertido involucrado en un sistema de potencia, para la generación, transmisión y distribución es muy grande que se deben de tomar en cuenta las precauciones propias para asegurar que el equipo opere lo más cercano posible a su máxima capacidad y eficiencia, de éste modo estará protegido contra accidentes.

Lo ideal sería que se pudiera anticipar la protección y así prevenir las fallas. Por lo tanto, aquí es donde se encuentra la importancia de contar con un software para la

50%

10%

15%

12%

2%3% 8%

Probabilidad de falla en elementos

Líneas de transmisión y distribución

Cables

Equipos de interrupción

Transformadores

Transformadores de corriente y depotencial

Equipo de control

16

simulación de dichas fallas y la coordinación de las protecciones, para hacer más eficientes y obtener mejores resultados en las protecciones a sistemas de potencia. [12]

1.2.5 Sistema de distribución. Las redes de distribución forman una parte muy importante de los sistemas de potencia, porque toda la potencia que se genera se tiene que distribuir entre los usuarios y estos se encuentran dispersos en grandes territorios. Así pues, la generación se realiza en grandes bloques concentrados en plantas de gran capacidad y de distribución de grandes territorios con cargas de diversas magnitudes. Por esta razón el sistema de distribución resulta todavía más complejo que el sistema de potencia.

La definición clásica de un sistema de distribución, desde el punto de vista de la ingeniería incluye lo siguiente:

• Subestación principal de potencia • Sistema de subtransmisión • Subestación de distribución • Alimentadores primarios • Transformadores de distribución • Secundarios y servicios

Estos elementos son válidos para cualquier tipo de cargas, tanto en redes aéreas como en subterráneas. Las funciones de los elementos de un sistema de distribución son:

Subestación principal de potencia: Esta recibe la potencia del sistema de trasmisión y la transforma en voltaje de subtransmisión. Los voltajes de transmisión pueden ser de: 230KV, 400KV y mayores, pero actualmente existen subestaciones de distribución de 120KV. La potencia de la subestación principal es normalmente de cientos de MW.

Sistema de subtransmisión: Son las líneas que salen de la subestación principal para alimentar a la subestación de distribución. Las tensiones de subtransmisión son de 115Kv y menos, aunque ya 230 Kv puede considerarse también como subtransmisión

Subestación de distribución: Se encarga de recibir la potencia de los circuitos de subestación y transformarla al voltaje de los alimentadores primarios. Su voltaje va desde 66Kv hasta 230 Kv.

Alimentadores primarios: Son los circuitos que salen de la subestación de distribución y llevan el flujo de potencia hasta los transformadores de distribución

17

Transformador de distribución: Reduce el voltaje del alimentador primario al voltaje de utilización del usuario.

Secundarios y servicios: Distribuyen la energía del secundario del transformador de distribución a los usuarios o servicios.

En México aún se tiene voltajes de distribución de 6,13.2 y 23Kv, las redes de distribución se protegen contra fallas de corto circuito y sobrecarga por medio de relevadores con interruptores de potencia, por medio de fusibles, por restauradores, así como por seccionadores automáticos de línea. Las consideraciones de selectividad, continuidad del servicio y confiabilidad que se aplican a la protección de los sistemas de potencia, son validad también para los sistemas de distribución.

Los sistemas de distribución se clasifican de la siguiente manera:

Dependiendo de las características de las cargas, los volúmenes de energía involucrados, y las condiciones de confiabilidad y seguridad con que deban operar, los sistemas de distribución se clasifican en:

•Industriales.

•Comerciales.

•Urbana.

•Rural. [13]

1.2.5.A Sistemas de distribución industrial. Comprende a los grandes consumidores de energía eléctrica, tales como las industrias del acero, químicas, petróleo, papel, etc.; que generalmente reciben el suministro eléctrico en alta tensión. Es frecuente que la industria genere parte de su demanda de energía eléctrica mediante procesos a vapor, gas o diésel. [13]

1.2.5.B Sistema de distribución comercial.

Es un término colectivo para sistemas de energía existentes dentro de grandes complejos comerciales y municipales, tales como edificios de gran altura, bancos, supermercados, escuelas, aeropuertos, hospitales, puertos, etc. Este tipo de sistemas tiene sus propias características, como consecuencia de las exigencias especiales en cuanto a seguridad de las personas y de los bienes, por lo que generalmente requieren de importantes fuentes de respaldo en casos de emergencia. [13]

18

1.2.5.C Sistema de distribución urbana.

Alimenta la distribución de energía eléctrica a poblaciones y centros urbanos de gran consumo, pero con una densidad de cargas pequeña. Son sistemas en los cuales es muy importante la adecuada selección en los equipos y el dimensionamiento. [13]

1.2.5.D Sistema de distribución rural.

Estos sistemas de distribución se encargan del suministro eléctrico a zonas de menor densidad de cargas, por lo cual requiere de soluciones especiales en cuanto a equipos y a tipos de red. Debido a las distancias largas y las cargas pequeñas, es elevado el costo del kWh consumido. En muchos casos es justificado, desde el punto de vista económico, la generación local, en una fase inicial, y sólo en una fase posterior, puede resultar económica y práctica la interconexión para formar una red grande. [13]

1.3 Elementos que conforman la red o sistema de distribución.

1.3.1 Circuito Primario y circuito Secundario. La distribución de la energía eléctrica desde las subestaciones de transformación de la red de transporte se realiza en dos etapas. La primera está constituida por la red de reparto, que, partiendo de las subestaciones de transformación, reparte la energía, normalmente mediante anillos que rodean los grandes centros de consumo, hasta llegar a las estaciones transformadoras de distribución. Las tensiones utilizadas están comprendidas entre 25 y 132 kV. Intercaladas en estos anillos están las estaciones transformadoras de distribución, encargadas de reducir la tensión desde el nivel de reparto al de distribución en media tensión. [13]

La segunda etapa la constituye la red de distribución propiamente dicha, con tensiones de funcionamiento de 3 a 30 kV y con una característica muy radial. Esta red cubre la superficie de los grandes centros de consumo (población, gran industria, etc.), uniendo las estaciones transformadoras de distribución con los centros de transformación, que son la última etapa del suministro en media tensión, ya que la tensión a la salida de estos centros es de baja tensión (125/220 o 220/380 V1). [13]

Las líneas que forman la red de distribución se operan de forma radial, sin que formen mallas, al contrario que las redes de transporte y de reparto. Cuando existe una avería, un dispositivo de protección situado al principio de cada red lo detecta y abre el interruptor que alimenta esta red. [13]

19

La localización de averías se hace por el método de "prueba y error", dividiendo la red que tiene la avería en dos mitades y energizando una de ellas; a medida que se acota la zona con avería, se devuelve el suministro al resto de la red. Esto ocasiona que en el transcurso de localización se pueden producir varias interrupciones a un mismo usuario de la red. [13]

1.3.2 Sistema radial En el sistema radial la corriente eléctrica circula en una sola dirección, lo que ofrece un control sencillo del flujo ya que es realizado exclusivamente del centro de alimentación. (Figura 3)

Figura 3. Red radial.

El sistema radial es análogo a una rueda con rayos emanando desde el centro. La potencia principal se envía a un punto central, y desde allí se divide en circuitos con ramificaciones en serie para suministrar servicios a clientes individuales. El sistema tipo red se parece a una rejilla en paralelo y, dada su facilidad de lectura se ha convertido en el estándar para los sistemas de distribución subterráneos donde existe una densidad elevada de carga. [13]

20

Se caracteriza por la alimentación por uno solo de sus extremos transmitiendo la energía en forma radial a los receptores y el emisor. Además, presenta un cableado en las partes. [13]

Ventajas: Resaltan su simplicidad y la facilidad que presentan para ser equipadas de protecciones selectivas. Prácticamente sin energía eléctrica no podemos hacer nada en la vida actual, todo funciona con ella, televisión, internet, radio, licuadoras, refrigeradoras, lavadoras, aspiradoras, las bombas para enviarte agua para una casa, etc.

Desventajas: La falta de continuidad en el servicio. Estas desventajas pueden ser compensadas en la actualidad con los dispositivos modernos de desconexión automática de la zona en falla llamados "Órganos de Corte de Red" o la utilización de los dispositivos llamados "Restauradores" que desconectan y cierran la zona en falla, procurando de esa manera despejar la zona en falla y volver el servicio sobre la línea completa. [13]

1.3.3 Sistema de anillos. Esta topología se utiliza en situaciones en las que queremos aumentar la fiabilidad del servicio, ya que, si hay una avería en un punto del anillo, se puede mantener dicho servicio si alimentamos desde otro punto (se recomienda, por ejemplo, en polígonos industriales). Figura 4. [13]

Vemos que hay dos centros de transformación A y B, que evidentemente no pueden estar en servicio simultáneamente. Para estudiar el anillo habrá que descomponerlo en dos redes abiertas, correspondientes a las dos figuras siguientes y calcularlas por separado. [13]

Es una línea de media tensión con los centros de transformación conectados de manera idéntica a la red lineal, con la peculiaridad de que en este caso la línea de media tensión se cierra sobre sí misma. Este tipo de redes en anillo tienen el inconveniente de que, la aparición de una avería en un centro de transformación, provoca el corte de suministro en toda la red. [13]


21

Figura 4. Sistema en anillo.

1.4 Fallas eléctricas en los sistemas de distribución. El término “falla” se utiliza mucho en combinación con la conexión a tierra. La conexión a tierra no previene una falla, pero una adecuada conexión a tierra puede limitar el tiempo de existencia de una falla, y por lo tanto limitar el tiempo de existencia de riesgos. Las fallas pueden tener diferentes puntos de ocurrencia, por ejemplo una falla puede ocurrir en el lado de la línea de alimentación o después de los dispositivos de protección contra sobre corriente. [14]

La clasificación general de fallas más conocida está formada por las fallas monofásicas y las fallas trifásicas. Sin embargo, para efectos de conexión a tierra existen esencialmente dos tipos:

a) Falla de fase a tierra

b) Falla de fase a fase

22

1.4.1 Falla de fase a tierra. La falla de fase a tierra (figura 5) ocurre cuando una fase se conecta a tierra. Puede ser cualquier conexión accidental de un conductor de fase y cualquier superficie aterrizada, tal como una cubierta metálica aterrizada. Una falla a tierra ocasionará un flujo de corriente del orden del 75 % de la corriente de falla de fase a fase.

Cuando se produce una falla a tierra, el conductor de puesta a tierra del equipo tiene una función muy importante, proporciona una trayectoria de baja impedancia para que la corriente de falla ocasione la operación de los dispositivos de protección, limitando con esto el tiempo de permanencia de la falla. [14]

Figura 5. Falla de fase a tierra.


23

1.4.2 Falla de fase a fase.

La falla de fase a fase puede provocarse por una conexión entre dos fases distintas de un sistema, este tipo de falla es la más severa ya que ocasiona un flujo de corriente mayor que el provocado por una falla de fase a tierra (figura 6). [14]

Figura 6. Falla de fase a fase.

Cuando se realizan estudios para la aplicación de los dispositivos de sobrecorriente, se hace énfasis en la corriente máxima que podría fluir como resultado de una falla. Esto se realiza asumiendo que la falla es una “falla franca”, es decir, una falla en la que no interviene una resistencia, o una resistencia de valor mínimo. Un sistema que experimente tal falla de línea a línea (y también una falla de línea a tierra cuando el sistema está sólidamente aterrizado) estará protegido por los dispositivos de sobrecorriente debido a la magnitud de la corriente que fluirá bajo esas condiciones. [14]

Las fallas francas, sin embargo, son completamente teóricas. Es más probable que una falla tenga una impedancia que reduzca la cantidad de corriente de falla, o que la falla sea una “falla por arqueo” o “falla intermitente”, debido al deterioro del aislamiento de un conductor, del devanado de un motor, o de una terminal a una superficie aterrizada. Al respecto, el esquema de conexión a tierra de los sistemas eléctricos puede tener un efecto en la magnitud de los voltajes de línea a tierra, los cuales deben permanecer constantes bajo condiciones transitorias y de estado estable. [14]

24

1.5 Función de la protección.

En la operación de los sistemas eléctricos de potencia pueden ocurrir fallas y regímenes anormales en sus distintos elementos, lo que puede provocar averías en estos, consecuentemente la alteración del régimen normal de operación del sistema o de sus elementos, e interrupciones del servicio a los usuarios, reducción de la calidad de la energía y/o daños en los equipos.[15]

El cortocircuito es el tipo más frecuente y peligroso de falla, ya que origina que magnitudes muy altas de corriente circulen por los elementos, produciéndose un abatimiento de los niveles de voltaje en algunos elementos del sistema. La sobrecarga es uno de los regímenes anormales más frecuente, originando que magnitudes de corriente superiores a las nominales circulen en el sistema, provocando calentamiento excesivo y posible daño de los equipos y/o elementos.[15]

1.6 Protección de sobre corriente.

Se denominan protecciones de sobre corriente a aquellas con selectividad relativa que responden a la corriente del elemento protegido y que operan cuando esa corriente es mayor que cierto valor preestablecido (corriente de arranque: mínima corriente en el relevador para la cual este opera). Esta protección, por lo general se dispone, de modo que cada protección es primaria para la línea donde está instalada y protección de respaldo para la o las líneas remotas. Las magnitudes de mayor corriente se pueden dar por sobrecargas o algún tipo de falla, este tipo de sucesos deben de ser liberados en el menor tiempo posible. [16]

La selectividad de las protecciones de sobre corriente puede lograrse por dos métodos posibles: por tiempo o por corriente. En el primer método, las protecciones primarias y de respaldo son sensibles al cortocircuito, pero tienen tiempos de operación diferentes; los tiempos de operación de las protecciones de respaldo son mayores que los de su protección primaria y en general, desconectan más elementos de la red. En el segundo método el alcance de cada protección se determina en base a la corriente; este método, se fundamenta en el hecho de que en sistemas radiales el valor de la corriente de cortocircuito disminuye a medida que la falla se aleja de la fuente de generación, ver figura 7 [16].

25

P. Falla.Pr. Protección.Sub. Subestación.Sub

PrP

Disminuye la distancia de la fuente.

Disminuye la corriente de falla.

Figura 7. Proporción de la corriente de falla según la distancia de la fuente.

En los sistemas eléctricos de distribución las protecciones por sobre corriente son: fusibles, seccionalizadores, restauradores, relevadores y sus respectivos interruptores. Estos dispositivos carecen de direccionalidad, esto restringe su aplicación a sistemas radiales o en sistemas donde el flujo de energía es de una sola dirección. [16].

1.7 Dispositivos para protección de sobre corriente en redes de distribución.

A continuación, se describen como son los dispositivos de protección en distribución, así como en algunos que normatividad cumplen.

1.7.1 Fusible limitador de corriente. El fusible es el más simple de los dispositivos de protección para sobre corriente. Es un elemento constituido de una aleación metálica, el cual se funde cuando un valor predeterminado de corriente pasa a través de él. Estos dispositivos se instalan en serie, sí son apropiadamente seleccionados soportan el flujo continuo de la corriente nominal de carga. Sí algún elemento o segmento del sistema experimenta alguna falla o régimen anormal, aumenta la magnitud de la corriente que pasa a través del fusible, y consecuentemente, éste se funde, provocando la desconexión del elemento fallado [16]. En la figura 8, se observa la curva característica de operación tiempo-corriente para un fusible.

En la figura 8, se observa que la zona de operación de los fusibles, está limitada por dos curvas: curva inferior, es el tiempo mínimo requerido para provocar la fundición del elemento fusible (Tm) y curva superior, es el tiempo total máximo requerido por el fusible para liberar la falla (TM).

El tiempo mínimo de fundición es importante cuando el fusible respalda o sobre alcanza otro dispositivo. El dispositivo de protección instalado aguas abajo (del

26

fusible de interés), debe liberar la falla antes de producir daños térmicos al fusible [16].

tiemp

oTM

Tm

corriente Figura 8. Zona de operación de los fusibles.

1.7.2 Relevadores de sobre corriente.

Basándose en las mismas características de operación, los relevadores de sobre corriente pueden ser clasificados en tres grupos: de corriente definida, de tiempo definido y de tiempo inverso. Las curvas características de estos tres tipos se muestran en la figura 9.

Figura 9. Tipos de relevadores de sobre corriente.

(a) Corriente definida: Este tipo de relevador instantáneamente opera cuando la corriente alcanza un valor predeterminado.

Corriente [A]

(1)

Corriente [A]

Tie

mpo

[s]

Tie

mpo

[s] (2)

Corriente [A]

Tie

mpo

[s] (3)

(a) Corriente definida (b) Tiempo definido (c) Tiempo inverso

27

(b) Tiempo definido: La variante más utilizada de esta protección es la que tiene dos o tres escalones o zonas con diferentes tiempos de operación, el primero de los cuales es instantáneo.

(c) Tiempo inverso: En los relevadores de tiempo inverso, el tiempo de operación, lo determina la magnitud de la corriente medida. La característica inversa de tiempo, se obtiene mediante el recorrido de un disco de inducción. El ángulo de rotación del disco, depende de la magnitud de la corriente I y del tiempo de aplicación de I.

El muelle (figura 10) se opone a la rotación positiva del disco. Cuando el torque inducido por I en el disco, es igual al torque del muelle, el torque total es cero, y el disco no gira. Cuando la magnitud de I aumenta, el torque inducido logra vencer al muelle. Sí la magnitud la corriente persiste durante el tiempo suficiente, el disco girará hasta lograr que los contactos se cierren, generándose la señal de disparo para el interruptor. Sí la magnitud de la corriente decrece, el disco retornará a su posición inicial. [16]

C.M.

C.F. T.ind.M

I

.A.R.

I Corriente.M muelleC.M. contacto moviilC.F. contacto fijoT.ind. torque inducidoA.R. angulo de rotación.

Disco de inducción.

Figura 10. Disco de inducción en un relevador electromecánico de sobre corriente de tiempo

inverso.

El relevador es ajustado con una magnitud de corriente de arranque (ITap), de manera que mande una señal de disparo para cualquier falla o condición de régimen anormal que se presente en el elemento que este protegiendo, y si es viable, proporcione protección de respaldo a elementos adyacentes. [16]

El retraso de tiempo o palanca de tiempo (pt), es un parámetro independiente que se obtiene de la familia de curvas características disponibles en el relevador.

28

1.7.3 Seccionalizador automático.

La aplicación conjunta de estos dispositivos de protección en los sistemas de distribución optimiza los esquemas de protección. Un seccionalizador es un dispositivo que automáticamente desconecta aquellos elementos que han experimentado alguna falla, una vez que un restaurador o interruptor (instalado aguas arriba) ha interrumpido la corriente de falla, se instalan normalmente aguas abajo de un restaurador, de esta manera se evita que opere la protección del alimentador principal. Así pues, el seccionalizador está diseñado para abrir el circuito mientras éste se encuentra desconectado de la fuente (desenergizado). La interrupción del circuito se realiza después de que el seccionalizador ha detectado un número predeterminado de interrupciones realizadas por el restaurador. Se fabrican seccionalizadores para disparo monopolar y tripolar. Estos dispositivos no cuentan con características de disparo tiempo-corriente. [16]

1.7.4 Interruptor de potencia.

La disponibilidad de la energía eléctrica es indispensable para el desarrollo económico y para la calidad de vida. Una de las condiciones necesarias para un suministro fiable de energía eléctrica es un sistema de transmisión que funcione perfectamente. Siemens es la única empresa a nivel internacional que ofrece soporte a los clientes a lo largo de la cadena completa de transformación de energía. Presenta una variada oferta de productos, soluciones y conocimientos para la transmisión y la distribución de energía eléctrica. Los interruptores de potencia son el elemento central de las subestaciones aisladas en aire (AIS) y aisladas en gas (GIS) (Figura 11). Los interruptores de potencia de alta tensión son equipos mecánicos de maniobra que interrumpen y cierran los circuitos eléctricos (corrientes de trabajo y corrientes de fuga) y, en estado cerrado, conducen la corriente nominal. [17]

Figura 11. Interruptor de potencia

29

1.7.5 Restaurador automático.

¿Qué es un restaurador?

El restaurador es un dispositivo de protección de sobrecorriente que dispara y recierra automáticamente un número determinado de veces para eliminar fallas transitorias o para aislar fallas permanentes. También incluye la posibilidad de realizar operaciones de cierre y apertura en forma manual. [4]

De acuerdo a ANCI C37.60:

El restaurador es un interruptor con conexión automática, instalado preferentemente en las líneas de distribución, es un equipo auto controlado para interrumpir y cerrar un circuito de corriente alterna, con una predeterminada secuencia de operaciones de cierre o apertura, seguidas por un restablecimiento apertura definitiva. [18]

El restaurador tiene la capacidad para detectar condiciones de sobre corriente de fase a tierra, para interrumpir el circuito si la sobre corriente persiste después de un tiempo predeterminado, después este volverá a cerrarse automáticamente para re energizar la línea. Si el fallo que originó la operación todavía existe, el restaurador permanecerá abierto hasta después de un número de operaciones predefinido, aislando la sección averiada del restablecimiento del sistema. En un sistema de distribución de sobrecarga, entre el 80% y el 95% de las fallas son de naturaleza temporal y duran, como máximo unos cuantos ciclos o segundos. Por lo tanto, el restaurador, con una característica de apertura / cierre, evita que un circuito de distribución se deje fuera de servicio para fallas temporales.

Generalmente, los restauradores están diseñados para tener hasta 3 operaciones de apertura y cierre, después de ello la última operación abrirá para bloquear la secuencia. Normalmente se permite una operación de cierre adicional por medios manuales. Los mecanismos de conteo registran el funcionamiento de las unidades de fase o falla a tierra que también pueden ser activadas por dispositivos controlados externamente cuando se dispone de medios de comunicación adecuados. [19]

Las características instantáneas y con retardo dependen de la capacidad del restaurador. Hay rangos de los restauradores de 50 a 1120 Amperes con bobinas en serie y de 100 a 1240 A, con bobinas en paralelo. La corriente de disparo mínima para todas las potencias normalmente se calibra al doble de la corriente nominal. Los restauradores deben tener la capacidad para poder interrumpir las corrientes de fallas asimétricas relacionada con su rango de corrientes asimétricas.

En cierta forma un restaurador realiza las funciones de una combinación de interruptor de potencia, un relevador de sobrecorriente y un relevador de recierre automático. El restaurador consta de fundamentalmente una cámara de interrupción y los correspondientes contactos principales que operan en aceite. Así como el mecanismo de control de accionamiento del disparo y del recierre.[4]

30

Las curvas características actuales del tiempo de operación de los restauradores incorporan normalmente tres curvas, una rápida y dos retardadas, designadas como A, B y C respectivamente. La figura 12 muestra una típica curva de tiempo / corriente para los restauradores. Sin embargo, los nuevos restauradores con controles basados en microprocesadores pueden tener curvas de tiempo / corriente seleccionable por teclado que permitan a un ingeniero producir cualquier curva para satisfacer los requisitos de coordinación por falla; fase-fase y falla fase a tierra. Esto permite la reprogramación de las características sin la necesidad de cambiar componentes para adaptar un arreglo a las necesidades específicas de los clientes.

La coordinación con otros dispositivos de protección es importante para asegurar que, cuando ocurre una falla, hasta la sección más pequeña del circuito se desconecta para minimizar la interrupción del suministro de energía a los consumidores. Generalmente, la característica del tiempo y la secuencia de funcionamiento del restaurador se seleccionan para coordinar con los mecanismos están arriba de él. Después de la separación el tamaño y la secuencia de operación de la operación del restaurador para un fallo permanente se muestran en la figura

Figura 12. Curvas de tiempo-corriente para restauradores

31

13. La primera toma se realiza en modo instantáneo para borrar fallas temporales antes de dañar las líneas. De una manera cronometrada con ajustes de tiempo predeterminados. Si el fallo se abre, limitando la cantidad de la red que está siendo desconectada. [19]

.

(C.A.)intervalos de re-cierre.

Ifalla

C.C. Cont. CerradosC.A. Cont. Abiertos

Icarga

..

(C.C.)operaciones rápidas

. . .

.

operaciones retardadas.(C.C.)

.

(C.A.)permanenteapertura

Figura 13. Operación de cierres y recierres de un restaurador.

Las fallas a tierra son menos severas que las fallas entre fase y, por lo tanto, es importante que los restauradores tengan una sensibilidad apropiada para detectarlas. Un método es usar TCs conectados residualmente para que la corriente residual resultante bajo condiciones normales sea aproximadamente cero. El restaurador debe operar cuando la corriente residual exceda el valor configurado, como ocurriría durante fallas a tierra.

1.7.5.A Tipos de restauradores

Los restauradores pueden ser clasificados de la siguiente manera:

• Una fase y tres fases

• Mecanismos de operación hidráulica o electrónica

• Aceite, vacío o SF6

32

Restauradores de una fase. Son usados cuando la carga es predominantemente de una fase. En tal caso, cuando una falla de una sola fase ocurre el restaurador debe desconectar permanentemente la fase dañada para que el suministro se mantenga en las otras fases.

Restauradores de tres fases. Se usan cuando es necesario desconectar las 3 fases para prevenir cargas desbalanceadas en el sistema.

Restauradores de operación hidráulica.

Los restauradores con mecanismos de operación hidráulicos tienen una bobina desconectadora en serie con la línea. Cuando la corriente excede el valor fijado, la bobina atrae el pistón, el cual, abre los contactos principales del restaurador e interrumpe el circuito. La característica temporal y secuencia de apertura del restaurador dependen del flujo de aceite en las diferentes cámaras. El mecanismo de control tipo electrónico se localiza normalmente en el exterior del restaurador, y recibe señales de corriente desde un buje tipo CT. Cuando la corriente excede el ajuste predeterminado un disparo retrasado se inicia, el cual finalmente resulta en la transmisión de una señal de disparo al mecanismo de control del restaurador. El circuito de control determina la apertura y cierre subsecuente del mecanismo, dependiendo de su ajuste.

Restauradores de operación electrónica.

Los restauradores con mecanismos de operación electrónicos utilizan una bobina o motores para cerrar los contactos.

Restauradores de aceite.

Los restauradores de aceite utilizan el aceite para extinguir el arco y también actúan como el aislamiento básico. El mismo aceite puede ser usado en el mecanismo de control.

33

Restauradores en vacío y Hexafloruro de Azufre (SF6) Restauradores al vacío y SF6 tienen como ventaja, requerir menor mantenimiento. Los restauradores se utilizan en los siguientes puntos de una red de distribución:

• En subestaciones, para proveer protección primaria a un circuito.

• En los circuitos alimentadores, para permitir el seccionamiento de largas líneas y por lo tanto prevenir la pérdida de un circuito completo debido a una falla hacia el final del circuito.

• En ramales o espuelas, para prevenir la apertura del circuito principal debido a fallas en las espuelas. [19]


34

2. Módulo de restaurador en el programa PSCAD.

35

2.1 Especificaciones para la realización del modulo

La creación del módulo del restaurador, se realizó desde una pc virtual, todo esto gracias a PSCAD VERSION 4.2, en este programa se encontró con todos los componentes necesarios para la creación del módulo, todas estas herramientas se dan a conocer en este capítulo.

2.2 ¿Qué es PSCAD?

PSCAD (Power System CAD) y significa Diseño Asistido por Ordenador de Sistemas de Potencia. Esta herramienta permite, simular el comportamiento y analizar los resultados de sistemas eléctricos, esto a través de gráficas de manejo sencillo e intuitivo. Contiene herramientas como: medidores, elementos de control, motores, generadores, entre otros modelos de componentes eléctricos.[20]

PSCAD se utiliza en la planificación, el diseño y las fases operativas de los sistemas de potencia. También es muy frecuente en la investigación de sistemas de potencia en todo el mundo. Algunos ejemplos típicos de aplicación de PSCAD para entender mejor los sistemas eléctricos de potencia son:

• Búsqueda de sobretensiones en sistemas de potencia debido a faltas u operaciones de interruptores.

• Estudios paramétricos se utilizan a menudo para ejecutar cientos de simulaciones para encontrar el peor de los casos cuando se varía el instante de la fase de una falta, el tipo de falta, o la ubicación de ésta.

• Análisis de problemas asociados a la calidad de la energía.

• Aplicaciones en redes de distribución.

• Análisis de sistemas industriales.

• Alimentación de cargas aisladas.

• Estudio de los efectos transitorios de la generación distribuida. [21]

2.3 Selección de las curvas del restaurador

Las curvas de los restauradores que se seleccionaron y se utilizaron en la simulación junto con sus ecuaciones respectivas fueron las siguientes:

Operaciones lentas:

36

Este tipo de curva es realizada para operaciones de apertura y cierre más largos para poder así hacer que la falla se extinga por carbonización, este tipo de curva se puede apreciar en la figura número 14.

Su fórmula es la siguiente:

𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑇𝑇𝑇𝑇 ∗ (0.0226 + 0.0104/(𝑀𝑀0.02 − 1 ))

𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑇𝑇𝑇𝑇 ∗ (1.08/(1 −𝑀𝑀2))

Figura 14. Curva moderadamente inversa operaciones lentas.

Operaciones rápidas:

Este tipo de curva es realizada para operaciones de apertura y cierre más rápidos para poder así hacer que la falla pueda liberarse en un periodo más corto, este tipo de curva se puede apreciar en la figura número 15.

Su fórmula es la siguiente:

37

𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑇𝑇𝑇𝑇 ∗ (0.0963 + 3.88/(𝑀𝑀2 − 1 ))

𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝑇𝑇𝑇𝑇 ∗ (3.88/(1 −𝑀𝑀2))

Figura 15. Curva muy inversa operaciones rápidas.

38

2.3.1 Especificación del pick up. Las magnitudes sobre las que se debe actuar para su aplicación son la corriente mínima de operación “pick-up” y la curva de operación “lever”.

El “pick-up” fija la sensibilidad de la protección, permite detectar cualquier tipo de cortocircuito en su zona protegida, incluida la zona en que debe dar respaldo.

El “lever” permite seleccionar a curva de tiempo de operación del relé, de modo que sea selectivo con la operación de relés ubicados en zonas adyacentes.

En términos generales, cuando en un circuito eléctrico la corriente alcanza el valor de corriente de arranque, el restaurador efectúa hasta cuatro operaciones de disparo con un valor preestablecido en combinaciones de curvas de operaciones rápidas y operaciones lentas que permiten extinguir las fallas transitorias que se han presentado y aislar las fallas permanentes. Como se menciona, la velocidad de estas operaciones depende de las curvas de corriente que define el revelador y es variable, tanto en tiempo de reconexión como en tiempo de reposición, es decir, en los intervalos en que los contactos del equipo se mantienen abiertos entre una apertura y una orden de reconexión de corriente o cierre, y en el tiempo que le toma al restaurador reponer su programación. [22]

2.3.2 Caracterizas de la protección.

En México, la Comisión Federal de Electricidad estableció un acuerdo de normalización en la que se determinan las características básicas que deben reunir los equipos de restauración eléctrica con base a diferentes normas vigentes. Según dichas normas, el restaurador debe constar de una unidad de interrupción, un control, una estructura o herraje de base o soporte y un cable de interconexión para conectar la interrupción y el control. El servicio para el que están diseñados deben ser a la intemperie para operar a 60 Hz y deben ser equipos de tres fases, contenidos en la misma base de soporte y el medio que utilicen para extinguir el arco eléctrico debe ser hexafluoruro de azufre (SF6) o vacío.[23]

2.4 Creación del módulo del restaurador. La creación del módulo de fallas se divide en tres partes. La primera se muestra el sistema eléctrico en el cual se probará el restaurador. La segunda parte es la de los dispositivos de medición donde se pasarán a valores RMS de las 3 fases y por último la lógica del restaurador.

39

2.5 Sistema eléctrico. Primero se creó un sistema eléctrico trifásico de manera muy sencilla el cual cuenta con:

1 Fuente trifásica

3 Medidores de tensiones

3 Medidores de corriente

3 Interruptores normalmente cerrados

3 Resistencias

2 Tierras

Dicho sistema eléctrico se muestra a continuación:

Figura 16. Sistema eléctrico para el restaurador.


40

La figura 16 muestra una fuente de corriente alterna trifásica con una tensión de 23kv y una frecuencia de 60 Hz. Después de ello se tiene tres voltímetros con las etiquetas Ea1, Ea2, Ea3. Los cuales son para medir la tensión de fase a tierra de manera monofásica y de forma senoidal. A continuación de los voltímetros se encuentran los tres amperímetros con las etiquetas Ia1, Ia2, Ia3. Los cuales su función es medir las ondas de corriente alterna por fase. Seguido de los amperímetros se muestran los interruptores con las etiquetas INTER1, INTER2, INTER3. Los cuales tienen la función de la conexión o desconexión de la fuente a la carga al recibir una señal de falla. Por último, tenemos una carga de prueba representada por tres resistencias de 88 ohms.

Figura 17. Sistema eléctrico para el restaurador, con implementación del módulo de fallas.


41

En la figura 17 se muestra como se conecta el módulo de fallas al sistema eléctrico. El dispositivo cuadrado que dice Timed Fault Logic es el dispositivo en el cual se programa la orden del tiempo en el que se desea que ocurra la falla y la duración de dicha falla. El rectángulo con el nombre Faults es el dispositivo que se encarga de crear las diferentes tipos de fallas en el sistema y este a su vez está controlado por dos dispositivos. Dos diales que se encargan de dar el tiempo en que queremos que se produzca la falla y el otro dial manda el tipo de falla se desea simular.

2.5.1 Sección de medición

Aquí se divide en dos partes, la medición de la tensión y la de corriente, las cuales fueron variables medidas para tener un valor aproximado no solo por el programa si no también matemáticamente, ya que como anteriormente se menciona la tensión está dada en kilo volts y por ello se puede observar en las gráficas (figura 18), tanto en valor senoidal como rms, pero la corriente al no estar en kilos fue necesario comprobar que el valor obtenido por el programa es correcto (figura 19).

2.5.2 Medición de tensión

En esta sección se muestra la parte de medición y en donde se comienza la medición con los medidores de tensión que son los que muestra la figura 18.

Figura 18. Medidores de tensión en valores RMS.

42

Figura 19. Representación gráfica de las tensiones.

En esta parte los voltímetros que estaban en el sistema eléctrico se mandan a llamar a través de las etiquetas, y a su vez estos se mandan a graficar las tensiones; Tanto en forma senoidal como RMS. (Figura 19)

Estos son los valores dados al correr el programa. Del lado izquierdo se muestra el valor de la tensión en forma senoidal que es antes de entrar al dispositivo RMS y después se muestra el valor RMS. Se tiene una tensión de 13.2 kV, esto se debe a que la fuente es trifásica, por lo tanto: 23𝑘𝑘𝑘𝑘

√3 =13.278 Kv esto nos indica que todas las

graficas estarán dadas en kilos y por ello se ve en 13.2 pero sin su unidad

2.5.3 Medición de corriente

A continuación, se muestra la parte de los amperímetros que como se observó en la figura 16 tienen los nombres Ia1 Ia2 Ia3, se recuerda que para ver las corrientes que pasan por ellos es necesario mandarlos a llamar a través de las etiquetas.

Figura 20. Medidores de corriente RMS.

Ea1 Ea1 RMS

43

Del lado izquierdo de la figura 20 están los graficadores que mandaran a graficar en forma senoidal, después se encuentran las etiquetas de las corriente del sistema las cuales se mandan a unos TCs ya que como se recuerdan es necesario dispositivos de medición que reduzcan la corriente según sea de 1 Amper o 5 Amperes según se deseé. Los TC´s tienen una relación de 1000 a 1 esto quiere decir que por cada mil ampers pasara 1 Amp. del lado secundario del TC .

Por ley de ohm las corrientes por fase se obtiene 13.278 Kv /88 ohms = 150.88 Amp después del lado secundario de los TC´s se optiene una corriente aproximada a 1.58 amperes, la cual es la corriente nominal que detectaran los relevadores 51 aquí se muestra en la figura 21 las gráficas tanto senoidal antes de los TC´s (lado izquierdo), así como RMS después de los TC´s (lado derecho):

Figura 21. Graficas de corriente.

2.6 Lógica del restaurador.

En esta parte se explicara a continuación como fue creada la lógica del restaurador. Para ello se dividirá en tres partes. Empezando por la sección de operaciones rápidas que es donde comienza a operar el modulo, para las aperturas y los cierres rápidos del sistema. Después pasara a la sección de operaciones lentas que es muy similar a la anterior solo que los disparos de abertura y cierre tendrán un retardo de tiempo más largo. Al final se observa la parte de las compuertas donde a través de una lógica se les manda la orden a los interruptores de abrir y cerrar para que al final se tome la decisión de reestablecer el sistema eléctrico o dejar abierto hasta que se elimine la falla.

44

2.6.1 Sección de operaciones rápidas

Como se puede observar en la figura 22, la sección de operaciones rápidas comienza con las etiquetas: Ia_rms1, Ia_rms2, Ia_rms3, a través de la terminal B, los cuales mandan una señal de corriente que posteriormente pasa por los relevadores 51, que para esta sección son de tiempo moderadamente inverso, los cuales se encargan de mandar una señal de disparo si se llega a exceder la corriente programada, para este ejemplo como se explicó anteriormente la corriente nominal de medición es de 1.5 ampers por lo tanto los relevadores se programaron con un disparo de 6 ampers ya que las corrientes de corto circuito excederán por mucho la corriente nominal o programada. Después del relevador hay una compuerta OR, la cual se encarga de examinar las señales que envía el relevador y en caso de que cualquier línea presente alguna falla este manda a su salida un uno lógico. Las siguiente compuerta OR y AND se encargan de enclavar y reiniciar la lógica del circuito, en caso de una señal de falla dicho reseteo se logra por el temporizador que se programó para que después de 0.5 segundos reinicie la búsqueda de alguna señal de falla, si dicha falla aún existe el circuito tendrá un uno lógico a la salida, y si no se restablecerá el sistema a condiciones normales de operación. Al final de la compuerta AND se encuentra un cuadrado con el nombre sequental, el cual es un dispositivo que cuenta los cambios de estado de la salida de la compuerta AND, posteriormente se encuentra un comparador el cual al exceder cierto número de cambios que contó el sequetal da la orden de pasar de operaciones rápidas a lentas con la etiqueta R1_R2. (Figura 22)

Al final está la compuerta or que se encarga de conectar ambas secciones rápidas y lentas, para llevar un conteo total de disparos y así dar las órdenes a la sección de compuertas para saber cuándo deben de abrir definitivamente.


45

Figura 22. Operaciones rápidas.

.


46

2.6.2 Operaciones lentas

Funciona de la misma manera que la sección de operaciones rápidas, solo se cambió el tiempo de reseteo a 1 segundo y los relevadores ahora son de tiempo muy inverso. (figura 23)

Figura 23. Operaciones lentas.

Espacio intencionalmente dejado

en blanco.

47

2.7 Sección de compuertas.

Como se puede observar en la figura 24, la sección de compuertas depende de las salidas de los relevadores de los disparos rápidos; PERM_A, PERM_B, PERM_C, estos darán una orden de enclave y así en la compuerta AND cada que la etiqueta BKR mandara un disparo ya sea lento o rápido de manera monofásica para la apertura de los interruptores en la parte del sistema eléctrico. La etiqueta APFINAL1, APFINAL2, APFINAL3 se encargara de llevar un conteo del total de disparos por fase para que al exceder cierto número de disparos programados se dé la orden a los seleccionadores de cambiar su posición a A y así con el uno lógico dará la apertura definitiva a las cuchillas INTER1, INTER2, INTER3 que están en el sistema eléctrico y así ya no se pueda regresar a su posición original del sistema, hasta que se solucione la falla.

Figura 24. Sección de compuertas.

En la figura 24 muestra cómo es que con PERM_A, PERM_B, PERM_C que son los disparos rápidos por fase se suman con W1, W2, W3 que son los disparos lentos por fase. Así se obtiene un total de disparos por fase que son las etiquetas toldis1_ toldis2_ toldis3 los cuales se mandan a un sequential para ver los disparos por fase y con el comparador de la orden de que al pasar los números de disparos programados ya de la señal a la parte de compuertas para la apertura definitiva (figura 25).

48

Figura 25. Contadores. Una vez explicado cómo funciona el restaurador, para la creación del módulo será necesario ir al proyecto y con clic derecho en la sección nombrada créate new component se dará clic izquierdo (figura 26).

Figura 26. Forma de crear el nuevo componente.

En esta nueva sección se pide que se registre el nombre del módulo nuevo que en este caso es el restaurador, después de ello se pide que se indique el número de entradas y salidas que se requerirán para la creación del módulo, en este caso al ser trifásico se marcaran 3 entradas, 3 salidas y el cuadro que menciona page module que es para que al dar doble clic sobre el modulo se pueda acceder a su interior para pegar las secciones de disparos lentos y rápidos (figura 27).

49

Figura 27. Sección de creación de entradas y salidas.

Después se pide que nombres el número de entradas y salidas del nuevo dispositivo las cuales fueron nombradas como las entradas: X_1, X_2, X_3 y las salidas como: Z_1, Z_2, Z_3 y así el módulo podrá recibir señales y a su vez mandar señales de salida (figura 28).

Figura 28. Asignación de nombres a las variables.

50

Una vez terminado el proceso anterior saldrá una página en blanco con las entradas y salidas en los cuales se envían las señales de corriente que entren al módulo y a la salida las señales para la desconexión de los interruptores (figura 29).

Figura 29. Señales.

Posteriormente se copian y pegan todas las secciones antes descritas a la página en blanco (figura 30).

Figura 30. Implementación del módulo.

51

Finalmente se va al menú. Y listo se tiene el bloque del restaurador (figura 31).

Figura 31. Modulo.

La realización del módulo del restaurador se desarrolló a cada paso en ese orden para así poder tener lo más entendible el cómo se fue construyendo. Así para poder tener el resultado final el cual se mostró en la figura 31.


52

3. Pruebas de fallas eléctricas simuladas en

el módulo del restaurador.

53

3.1 Desarrollo de pruebas en el módulo de restaurador.

El desarrollo para la implementación del módulo del restaurador se realizó con los programas de Windows 10, virtual Box, Windows XP y PSCAD versión 4.6. Las pruebas del restaurador se realizaron con los casos de fallas eléctricas más comunes que ocurren en el sistema de distribución y en condiciones normales, por lo cual se observaron las corrientes tanto de corto circuito como nominales del sistema.

3.2 Pruebas en el módulo del restaurador en condiciones normales (sin fallas).

Esta prueba consiste en tener el sistema eléctrico sin ninguna falla, esto para poder observar las corrientes por fase de cada una de las líneas de alimentación eléctrica Figura 32. las cuales operaron con normalidad al no tener ninguna falla. De igual manera en esta prueba se muestra un acercamiento de la corriente por fase, para poder apreciar la onda senoidal (Figura 32-A). El estado de operación de cada uno de los interruptores del módulo de restaurador se puede apreciar en las páginas posteriores. (Figura 33)

En las condiciones de operaciones normales del sistema no se apreciaron incrementos de corriente.


54

En este ejemplo las corrientes operaron con normalidad al no tener ninguna falla eléctrica.

Grafica de la fase A.

Grafica de la fase B.

Grafica de la fase C.

Figura 32. Mediciones de las corrientes de cada una de las fases.

55

En esta sección de las imágenes se puede observar el comportamiento de la onda senoidal de las corrientes al hacer un acercamiento.

Grafica con acercamiento de la fase A.

Grafica con acercamiento de la fase B.

Grafica con acercamiento de la fase C.

Figura 32-A. Mediciones de las corrientes de cada una de las fases con acercamiento para poder apreciar las ondas senoidales.

56

En esta imagen se puede ver el estado de operación del interruptor el cual al no haber ninguna falla eléctrica, no se mandó una señal de disparo para graficar.

Estado de operación del interruptor en la fase A.

Estado de operación del interruptor en la fase B.

Estado de operación del interruptor en la fase C.

Figura 33. Estado de operación de cada uno de los interruptores.

57

3.3 Pruebas en el módulo del restaurador en condiciones de falla temporal.

3.3.1 Falla de fase a tierra dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas.

La aplicación de este tipo de prueba es tener el sistema eléctrico con una falla de fase a tierra, esto para poder observar las corrientes de cada una de las fases (figura 34) y se observa que una de las tres fases detecto anomalías en la gráfica de la fase A (Ia1), estas anomalías fue un incremento de corriente muy elevado. El estado de operación de cada uno de los interruptores del módulo de restaurador se puede apreciar en las páginas posteriores (Figura 35).

En esta condición de falla temporal de fase a tierra, se observa la operación de el modulo del restaurador el cual detecto la falla y así logro abrir y cerrar en el tiempo programado, una vez terminado el tiempo de falla, el restaurador cerró para volver a operar con normalidad, además las gráficas de corrientes de fases y corrientes RMS regresan a la normalidad en sus lecturas.


58

En esta figura se puede observar que la corriente en la gráfica de la fase A incrementa a comparación de la corriente en la gráfica de la fase B y C en el mismo lapso de tiempo, esto se debe a una falla temporal (un incremento de corriente) establecida en la fase A del sistema eléctrico.





59

En la siguiente figura se muestra el estado de operación del restaurador de la fase A, debido a un incremento de corriente eléctrica, esto conllevo a que el restaurador abriera y cerrara en un determinado tiempo, y a su vez como la falla eléctrica desapareció el restaurador pudo cerrar de nuevo para operar con normalidad.





60

3.3.2 Falla entre dos fases dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas.

La aplicación de este tipo de prueba es tener el sistema eléctrico con una falla entre fases, esto para poder observar las corrientes de cada una de las fases (figura 36) en esta falla se observa que dos de las tres fases detecto anomalías (Ia1, Ia2), estas anomalías fue un incremento de corriente muy elevado. El estado de operación de cada uno de los interruptores del módulo de restaurador se puede apreciar en las páginas posteriores. (Figura 37)

En esta condición de falla temporal entre dos fases, se observa la operación de el modulo del restaurador el cual detecto la falla y así logro abrir y cerrar en el tiempo programado, una vez terminado el tiempo de falla, el restaurador cerró para volver a operar con normalidad, además las gráficas de corrientes de fases y corrientes RMS regresan a la normalidad en sus lecturas.


61

En esta figura se puede observar que la corriente en la gráfica de la fase A y B, incrementa a comparación de la corriente en la gráfica de la fase C en el mismo lapso de tiempo, esto se debe a una falla temporal (un incremento de corriente) establecida en la fase A y fase B del sistema eléctrico.





62

En la siguiente figura se muestra el estado de operación del restaurador de la fase A y la fase B, esto debido a un incremento de corriente eléctrica, lo cual conllevo a que el restaurador de cada una de las fases con anomalías abriera y cerrara, y a su vez como la falla eléctrica desapareció después de un determinado tiempo el restaurador pudo cerrar de nuevo para operar con normalidad.





63

3.3.3 Falla de tres fases a tierra dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas.

La aplicación de este tipo de prueba es tener el sistema eléctrico con una falla trifásica, esto para poder observar las corrientes de cada una de las fases (figura 38) en esta falla se observa que las tres fases detecto anomalías (Ia1, Ia2, Ia3), estas anomalías fue un incremento de corriente muy elevado. El estado de operación de cada uno de los interruptores del módulo de restaurador se puede apreciar en las páginas posteriores. (Figura 39)

En esta condición de falla temporal trifásica, se observa la operación de el modulo del restaurador el cual detecto la falla trifásica y así logro abrir y cerrar en el tiempo programado, una vez terminado el tiempo de falla, el restaurador cerró para volver a operar con normalidad.


64

En esta figura se puede observar que la corriente en la gráfica de la fase A, fase B y fase C, incrementa en el mismo lapso de tiempo, esto se debe a una falla temporal (un incremento de corriente) establecida en las tres fases del sistema eléctrico.





65

En la siguiente figura se muestra el estado de operación del restaurador de la fase A, la fase B y la fase C, esto debido a un incremento de corriente eléctrica, lo cual conllevo a que el restaurador de cada una de las fases con anomalías abriera y cerrara en un determinado tiempo, posteriormente la falla eléctrica desapareció y así cada uno de los restauradores pudo cerrar de nuevo para operar con normalidad.





66

3.4 Pruebas en el módulo del restaurador en condiciones de falla permanente.

3.4.1 Falla de fase a tierra dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas.

La aplicación de este tipo de prueba es tener el sistema eléctrico con una falla de fase a tierra, esto para poder observar las corrientes de cada una de las fases (figura 40) en esta falla se observa que una de las tres fases detecto anomalías (Ia1), estas anomalías fue un incremento de corriente muy elevado. Este tipo de falla es propuesta a través de un determinado tiempo del módulo de fallas, esto para imitar una falla de un fusible, esto llevo a que el fusible propuesto abriera en un determinado tiempo de falla, posteriormente el sistema regreso a condiciones de operación normales. El estado de operación de cada uno de los interruptores del módulo de restaurador se puede apreciar en las páginas posteriores (Figura 41)

En esta condición de falla permanente de una fase a tierra, se observa la operación de el modulo del restaurador el cual abrió y cerró en el tiempo determinado, y debido a que la falla se presentó en un fusible propuesto con el módulo de fallas, el restaurador volvió a cerrar y así poder operar en condiciones normales.


67

En esta figura se puede observar que la corriente en la gráfica de la fase A incrementa a comparación de la corriente en la gráfica de la fase B y C en el mismo lapso de tiempo, esto se debe a una falla permanente (un incremento de corriente) establecida en la fase A del sistema eléctrico.





68

En la siguiente figura se muestra el estado de operación del restaurador de la fase A, debido a un incremento de corriente eléctrica, esto conllevo a que el restaurador abriera y cerrara, y a su vez como la falla eléctrica desapareció el restaurador pudo cerrar de nuevo para operar con normalidad.





69

3.4.2 Falla entre dos fases una operación rápida y dos operaciones lentas.

La aplicación de este tipo de prueba es tener el sistema eléctrico con una falla entre dos fases, esto para poder observar las corrientes de cada una de las fases (figura 42) en esta falla se observa que dos de las tres fases detecto anomalías (Ia1, Ia2), estas anomalías fue un incremento de corriente muy elevado. El estado de operación de cada uno de los interruptores del módulo de restaurador se puede apreciar en las páginas posteriores. (Figura 43)

En esta condición de falla permanente entre dos fases, se observa la operación de el modulo del restaurador el cual abrió y cerró en el tiempo determinado, y debido a que la falla registrada es permanente el restaurador mando la orden de apertura permanente.


70

En esta figura se puede observar que la corriente en la gráfica de la fase A y B, incrementa a comparación de la corriente en la gráfica de la fase C en el mismo lapso de tiempo, de igual manera se observa que después de un determinado tiempo la fase A y B no tienen lecturas de corriente de operación, esto se debe a una falla permanente (un incremento de corriente) establecida en la fase A y fase B del sistema eléctrico.





71

En la siguiente figura se muestra el estado de operación del restaurador de la fase A y la fase B, esto debido a un incremento de corriente eléctrica, lo cual conllevo a que el restaurador de cada una de las fases con anomalías abriera y cerrara, y a su vez como la falla eléctrica se mantenía, después de un determinado tiempo el restaurador tuvo una apertura permanente.



Estado de operación del interruptor en la fase C .


72

3.4.3 Falla de tres fases a tierra dos operaciones rápidas y dos operaciones lentas.

La aplicación de este tipo de prueba es tener el sistema eléctrico con una falla trifásica, esto para poder observar las corrientes de cada una de las fases (figura 44) en esta falla se observa que en las tres fases detecto anomalías (Ia1, Ia2, Ia3), estas anomalías fue un incremento de corriente muy elevado. El estado de operación de cada uno de los interruptores del módulo de restaurador se puede apreciar en las páginas posteriores. (Figura 45)

En esta condición de falla permanente trifásica, se observa la operación de el modulo del restaurador el cual abrió y cerró en el tiempo determinado, y debido a que la falla registrada es permanente el restaurador mando la orden de apertura permanente.


73

En esta figura se puede observar que la corriente en la gráfica de la fase A, fase B y fase C, incrementa en el mismo lapso de tiempo, de igual manera se observa que después de un determinado tiempo la fase A, fase B y fase C no tienen lecturas de corriente de operación, esto se debe a una falla permanente (un incremento de corriente), establecida en la fase A, fase B y fase C del sistema eléctrico.





74

En la siguiente figura se muestra el estado de operación del restaurador de la fase A, fase B y la fase C, esto debido a un incremento de corriente eléctrica, lo cual conllevo a que el restaurador de cada una de las fases con anomalías abriera y cerrara, y a su vez como la falla eléctrica se mantenía, después de un determinado tiempo el restaurador tuvo una apertura permanente.





75

4. Estudio económico, conclusiones y

propuestas a trabajos futuros.

76

4.1 Estudio económico.

En este estudio económico se consideraron todos los materiales y herramientas necesarios, para poder tener el costo total del proyecto realizado, los cuales se plasmaron en la siguiente tabla.

PDA CONCEPTO UNIDAD CANTIDAD P.U. IMPORTE

1

Suministro de material Hardware Laptop HP Envy 13.

PZA

1

17,499.00

17,499.00

2

Suministro de material Mouse óptico HP.

PZA

1

200.00

200.00

3

Suministro de software. Windows 10.

PZA

1

3,259.00

3,259.00

4 Suministro de software Virtual Box PZA 1 0 0

5

Suministro de software. Windows XP SP2. Costo convertido de dólares a pesos mexicanos. Realizado el día 28-05-20017

PZA

1

1,851.00

1,851.00

6

Suministro de software PSCAD EMU. Costo convertido de dólares a pesos mexicanos. Realizado el día 11-06-20017

PZA

1

545,097.75

545,097.75

7

Suministro de software office Professional 2007 para Windows XP. Costo convertido de dólares a pesos mexicanos. Realizado el día 28-05-20017.

PZA

1

370.36

370.36

8

Suministro de software office Professional 2016 licencia de un año.

PZA

1

1,299.00

1,299.00

77

9

Suministro de impresora. EPSON L355

PZA

1

4,500.00

4,500.00

10

Suministro de papel.

Paquete [600

Hojas]

1

60.00

60.00

11

Suministro de energía eléctrica.

Pago bimestral.

1

220.00

220.00

12

Suministro de teléfono e internet velocidad de 100 Mb/S

Pago mensual.

1

999.00

999.00

13 Subtotal 575,355.11 575,355.11

14 IVA 92,056.81 92,056.81

15 Total 667,412.92 667,412.92

Tabla de costos para el proyecto.

Una vez realizados los costos se tiene el total con IVA del proyecto, el cual es costo es de $ 667,412.92 pesos, este total se pretende recuperarlo en 1 año con un mínimo de 10 simulaciones, las cuales tendrán un precio de $ 66,741.19 pesos. Un objetivo de utilidades es del 50 % lo cual en la ganancia total después de las 10 simulaciones sería de $ 1, 001,119.38 pesos.

78

4.2 Conclusiones de proyecto.

Los sistemas de distribución son de gran importancia en la red eléctrica del país, además de que es indispensable contar con sistemas de protección para todos los elementos del SEP, sea la generación, transmisión, distribución y consumo de la energía. Uno de los elementos más importantes en las protecciones, en la parte de distribución eléctrica es el restaurador, el cual ayuda a que ante fallas temporales o permanentes ya sea por flora, fauna u otra situación se pueda reestablecer el servicio sin la necesidad de tener una gran interrupción de energía eléctrica en el sistema. Esto es de vital importancia ya que mejora los índices de calidad de la energía a través de la continuidad del servicio de una manera óptima y así deja que el sistema eléctrico opere durante más tiempo sin tener que dejar fuera de servicio algunas partes del SEP. Lo cual se puede representar como dinero ya que entre más interrupciones se tengan en el servicio de energía eléctrica más perdidas económicas puede haber en dicha zona.

Si bien las características de una protección son confiabilidad, rapidez, selectividad y sensibilidad en estas simulaciones se logró observar que opera en todos los casos de fallas más comunes del sistema eléctrico lo cual nos da la confiablidad, la rapidez se da en su tiempo de operación que esta dado en milisegundos y su selectividad es adecuada ya que al ser mono polar la desconexión no deja fuera de servicio las partes que operan correctamente en el SEP.

Las simulaciones por otro lado nos ayudan a observar el comportamiento de los dispositivos, aun sin tenerlos físicamente y esto es una ventaja en el diseño de redes de distribución, además de ver como coordinar cada uno de los dispositivos de protección para una función optima y adecuada con lo cual se hace notar que el uso de los simuladores hoy en día es de vital importancia y no solo en el sector eléctrico si no en diferentes áreas y más en las ingenierías. Ahora la creación del restaurador no fue sencilla, sin embargo tiene su recompensa ya que a través de todas las pruebas que se realizaron uno se puede dar cuenta que en todos los tipos de fallas el restaurador opero y de una manera mono polar lo cual es mejor ya que si las otras fases se encuentran en servicio no las sacara de funcionamiento y las tres fases están seguras de tener la protección del restaurador, los tiempos para el restaurador de acuerdo a la información obtenida en la actualidad son ajustables según las necesidades que se tengan en el sistema por lo tanto recrearlas con los relevadores moderadamente inversos y muy inversos fue de gran utilidad ya que se tuvo que coordinar el tiempo de la falla los reseteos para la conexión y desconexión del sistema entre muchas otras cosas más. La ventaja de este software de PSCAD es que un cambio de licencia para los softwares actuales es demasiado caro ya que no debemos de olvidar que los simuladores están valorados en miles de dólares para las empresas y esta puede ser una opción factible ya que también las personas se adaptan al uso de un software y si se tuviese que cambiar el sofware al personal

79

sería necesario capacitarlos con esta nueva herramienta o tener que contratar otras personas que ya manejen dicha herramienta nueva.

Se puede decir que el software de Pscad es muy interactivo y fácil de simular una vez que ya se realizó un primer circuito. Como todo tiene desventajas y es que el uso de Windows XP en los ordenadores actuales no es muy común sin embargo la opción como fue realizada en el proyecto es demasiado buena ya que crear máquinas virtuales para poder tener los programas necesarios es una excelente opción.

Al final se logró con éxito obtener el modulo del restaurador disponible líneas de distribución, que simula los disparos rápidos y lentos, como lo hace en la realidad los restauradores, además de que se pueden ajustar sus curvas de tiempo inverso de acuerdo a las necesidades que el ingeniero tenga en ese momento y lo más importante es que ante todos los casos de falla se mostró que este operara con efectividad y rapidez, lo cual cumple con todos y cada uno de los objetivos que se propusieron en el trabajo de manera satisfactoria.

En este proyecto terminal se pudo observar los comportamientos de las corrientes y tensiones de operación, pero no fueron todas además se realizó en ciertas condiciones de falla, por lo cual se propone este proyecto para investigaciones a futuro, además el mismo circuito poder simularlo con más protecciones de distribución, como un fusible.

80

4.3 Propuestas para trabajos futuros.

En esta sección del trabajo se dan propuestas para más casos de pruebas en el cual se deben de considerar las siguientes variantes:

• Magnitudes de impedancia de falla • Distancia de falla en las líneas de distribución. • Puntos de falla cercanos a la fuente. • Poder tener referencias más exactas en la fuente de alimentación. • Tipos de cargas. • Interacción con otros esquemas de protección.

81

Anexos.

Componentes utilizados en el módulo del restaurador.

A continuación, mostraremos todos los elementos que fueron utilizados para la creación del restaurador, los cuales se encuentran en el programa de PSCAD en la parte de Master Library.

Dispositivos utilizados en el módulo.

Relevador 51

También conocida como protección de sobre corriente, para un nivel de corriente de corto circuito alto, el relevador envía una señal de disparo para proteger el sistema después de determinado tiempo.

Compuertas Lógicas OR u O (de dos y tres entradas)

Función booleana: X = A+B+C ó X = A+B

Compuerta OR o compuerta O. La salida X de la compuerta será un “1” lógico cuando la entrada “A” o la entrada “B” estén en “1” lógico. Expresándolo en otras palabras: En una compuerta OR, la salida será “1”, cuando en cualquiera de sus entradas haya un “1”. [24]

82

Compuerta AND o compuerta Y.

Función booleana como: X = A*B ó X = AB.

Una compuerta AND necesita en ambas entradas un 1 si no a la salda siempre será un cero lógico.

Compuerta NOT.

La salida de una compuerta NOT tiene el valor inverso al de su entrada.

OUTPUT CHANNEL (Graficador)

Sirve para graficar las salidas y entradas de los diferentes dispositivos de PSCAD.

Contador en secuencia

Se encarga de llevar un conteo de acuerdo a los cambios de señales que reciba a la entrada.

Etiquetas

Sirve para nombrar las señales de entrada o de salida de los dispositivos y así poder trasladar estas señales en donde sean requeridas, simplemente repitiendo el nombre de la etiqueta mandara el valor de la señal de entrada ya sea para la medición o su uso en otro elemento.

83

Constantes de números enteros y flotantes.

Dan valores de números ya sea enteros o flotantes, se utilizó en la lógica las compuertas and y or.

Switch.

Es un sencillo interruptor con la simple función de prendido o apagado.

Comparador

Este dispositivo se configura para que al tener cierto número de señales a la entrada (las cuales uno programa), en su salida cambie de un 0 lógico a un 1.

Delay.

Es un temporizador que se encarga de mandar una señal en un tiempo definido por el usuario.

84

Selector.

A través de una señal que se envía en la parte de debajo de la figura que dice Ctrl esta cambia de posición de la B a la A, cabe mencionar que este selector por default no tiene animación y empieza en B.

Combinador de datos.

Este equipo recibe varias señales las cuales se pueden mandar a graficar sin juntar las líneas.

Módulo de fallas.

El módulo de fallas sirve para recrear las anormalidades en un sistema eléctrico trifásico en el cual se podrán desarrollar las fallas que necesitamos que son las de fases a tierra y falla entre fases. El modulo también se configura de manera que la falla sea interna o también una falla externa. Esto es de gran ayuda ya para poder configurar este equipo se puede un cambiador de Taps el cual te dice que tipo de falla realizara según la siguiente lista:

85

Temporizador de fallas.

Este temporizador de fallas ayuda a poder dar un tiempo de inicio de la falla eléctrica y también tiempo de duración de la misma.

86

Dial.

Este dispositivo cuya labor es el poder manejar un cambiador de numeración el cual te ayuda a seleccionar una posición en el caso de este trabajo se utilizó para seleccionar que tipo de falla es la que se quiere simular ya que como se mostró anteriormente existen 12 tipos de fallas eléctricas en el programa y este dial tiene 12 posiciones para seleccionar la que uno desee.

87

Acrónimos.

Tm: Esto refiere al tiempo mínimo requerido para poder provocar la fundición de un fusible.

TM: Esto refiere al tiempo máximo requerido por el fusible para poder liberar la falla.

TCs: El nombre es transformador de corriente diseñado para suministrar la corriente adecuada a instrumentos de medición como los amperímetros, wattmetros y watthorímetros, así como a los aparatos de protección como restauradores.

CT: Current Transformer (Transformador de corriente), este tipo de transformador de corriente, su nomenclatura en inglés es Bushing Current Transformer (Transformador de Corriente tipo Buje).

SF6: Mejor conocido como hexafloruro de azufre el cual es un gas inerte, más pesado que el aire, no es tóxico ni inflamable, pero es asfixiante y posee un color y olor característicos. Se produce por reacción directa a unos 300 º C de azufre fundido y el flúor gaseoso. Es estable en condiciones normales, y al exponerlo a elevadas temperaturas, se descompone dando lugar a productos tóxicos los cuales pueden ser corrosivos en presencia de humedad. Una de las principales características es su elevada constante dieléctrica, por lo que es muy empleado como gas aislante en equipos para distribución de energía eléctrica.

RMS: Se denomina valor eficaz al valor cuadrático medio de una magnitud eléctrica. El concepto de valor eficaz se utiliza especialmente para estudiar las formas de onda periódicas, a pesar de ser aplicable a todas las formas de onda, constantes o no. En ocasiones se denomina con el extranjerismo RMS (del inglés, root mean square).

Compuerta OR: Una compuerta OR es un circuito que produce una salida alta (1 lógico) cuando cualquiera de las variables de entrada es 1. La expresión booleana para la salida es A + B, y se lee como "A or B" (A o B).

Compuerta AND: La compuerta AND es un circuito que produce una única salida alta (1 lógico) sólo cuando todas sus entradas son 1. Puede tener desde dos entradas en adelante. Su función es realizar una multiplicación de las entradas, siguiendo los principios básicos de una multiplicación ordinaria de números binarios.

88

Bibliografía:

[1] Titulo: Calidad de la energía eléctrica: camino a la normalización. Autor: Gerardo Manuel Robledo Real. Fecha de emisión: Simposio de metrología 22-10-2008. url: https://www.cenam.mx/simposio2008/sm_2008/memorias/S5/SM2008-S5B2-1188.pdf

[2] Tesis 1 Coordinación de protecciones para un sistema eléctrico industrial. G.H. Román R.R. Francisco S.G. Jorge 2009 http://www.sistemamid.com/panel/uploads/biblioteca/2014-07-08_10-35-54106472.pdf

[4] Titulo: Sistemas de distribución de energía eléctrica Autor: Juarez Cervantez José Dolores Editorial: San Serif Editor. Primera edición Año: 1995

[5] Simuladores y laboratorios virtuales para Ingeniería en Computación. Revista Iberoamericana para la Investigación y el Desarrollo Educativo. Autores: Aguilar Juarez Irene y Heredia Alonso José Ruben . Públicado en Enero del 2013.

[6] Página de internet: http://www.educacontic.es/blog/simuladores-de-circuitos-electricos-y-electronicos-en-linea Fecha de consulta: 12/02/17 Hora: 14:30 Hrs.

[7] Uso de simuladores como recurso digital para transferencia de conocimiento. Autor: Gloria Amparo Contreras Gelves, Rosa García Torres, María Soledad Ramírez Montoya. Revista de innovación educativa Universidad de Guadalajara. url de consulta: www.udgvirtual.udg.mx/apertura/index.php/apertura/article/view/22/32 Fecha de consulta: 22/04/2017.

[8] Scientia et Technica Año IX, No 23, Diciembre 2003. UTP file:///C:/Users/julian/Desktop/TESIS/7373-5451-1-PB.pdf

[9] Especialidad de Sistemas Eléctricos de Potencia. Autor: Cinvestav Unidad Guadalajara. url de consulta: http://www.gdl.cinvestav.mx/areas_investigacion/sistemas_electricos_potencia Fecha de consulta. 14/01/17 Hora: 12:20 Hrs.

[10] Titulo: Sistema eléctrico de Potencia. Autor: Toveras.com. url de consulta: http://www.tuveras.com/lineas/sistemaelectrico.html Fecha de consulta. 18/10/16 Hora: 23:00 Hrs.

[11] Tesis 2 Relevadores de protección aplicado a líneas de transmisión O.B. Monterrey Francisco Joel 1999 http://eprints.uanl.mx/6370/1/1080098235.PDF

[12] Tesis 3 APLICACIÓN DEL SOFTWARE COMPUTER AIDED PROTECTION ENGINEERING (CAPE) EN PROTECCIONES A SISTEMAS DE POTENCIA R.G. Nohé. url: http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/33058/1/ramirezgarcia.pdf

http://www.udgvirtual.udg.mx/apertura/index.php/apertura/article/view/22/32

http://www.gdl.cinvestav.mx/areas_investigacion/sistemas_electricos_potencia

http://www.tuveras.com/lineas/sistemaelectrico.html

http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/33058/1/ramirezgarcia.pdf

89

[13] SITEMAS DE DISTRIBUCIÓN DE C/A. Autor: Apuntes científicos. url: http://apuntescientificos.org/redes.html. Fecha de consulta: 6/11/16

[14] TIPOS DE FALLAS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS. Autor: Dr. Arturo Galván Diego. Editorial: CURSO SPT CIMEMOR: FALLAS. Fecha de consulta: 6-5-17.

[15] Titulo: ANALISIS DE LA OPERACIÓN DE LAS PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE EN REDES DE DISTRIBUCION CON PRESENCIA DE ARMONICOS. Autor. Manuel Águila Muñoz. Fecha de publicación: Junio 2006.

[16] TITULO: EMPLEO DEL PROGRAMA EMTDC/PSCAD PARA LA COORDINACIÓN Y ANÁLISIS DE PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE. AUTORES: Manuel Águila Muñoz ,Manuel Torres Sabino,Mercedes Lázaro Gonzaga. AÑO DE PUBLICACION: Septiembre 2016.

[17] Titulo: Interruptores de potencia de alta tension Autor: siemens.com/energy. url: http://www.energy.siemens.com/MX/pool/hq/power-transmission/high-voltage-products/circuit-breaker/PortfolioES.pdf Año: 2013. Fecha de consulta. 5/05/17 Hora: 19:00 Hrs.

[18] Titulo: Restauradores en SF6. Autor Grupo TEI Mexico. Fecha de consulta: 25-02-17. url de consulta: http://grupoteimexico.com.mx/restauradores_en_sf6.php Fecha de consulta. 18/11/16 Hora: 23:00 Hrs.

[19] Titulo: RELAY APPLICATION SCHOOL. Autor: Basler Electric. Año de publicación: Septiembre 2001.

[20] INTRODUCCIÓN AL PSCAD. Autor: Camilo José Carrillo González. url: http://carrillo.webs.uvigo.es/ publicaciones/ IndroduccionPSCAD.pdf Fecha de consulta 03/06/2017 Hora: 12:40Hrs

[21] Presentación de PSCAD url: http://www.indielec.com/presentacion-cms-4-50-60/ Fecha de consulta 01/06/2017 Hora: 14:00Hrs

[22] Titulo: Reles de sobrecorriente. url de consulta: http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/618/A5.pdf?sequence=5 Año: 2010. Fecha de consulta. 22/09/17 Hora: 19:00 Hrs.

[23] ] Titulo: Características de las protecciones., url de consulta: https://www.altatecnologia.com.mx/caracteristicas-de-los-restauradores-segun-la-normativa-de-la-cfe/ Año: 2017. Fecha de consulta. 03/10/17 Hora: 20:00 Hrs.

[24] Titulo: Compuertas Autor: http://unicrom.com/la-compuerta-or-o-compuerta-o-tabla-de-verdad/ Año: 2011. Fecha de consulta. 15/09/17 Hora: 10:00 Hrs.

http://www.energy.siemens.com/MX/pool/hq/power-transmission/high-voltage-products/circuit-breaker/PortfolioES.pdf

http://www.energy.siemens.com/MX/pool/hq/power-transmission/high-voltage-products/circuit-breaker/PortfolioES.pdf

http://grupoteimexico.com.mx/restauradores_en_sf6.php

http://www.indielec.com/presentacion-cms-4-50-60/

http://www.indielec.com/presentacion-cms-4-50-60/

simulación de un restaurador para redes eléctricas de

Documents