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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN VALENCIA IMPLEMENTACIÓN DE PROTECCIONES NUMÉRICAS PARA ADECUAR LOS ESQUEMAS A LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LAS LÍNEAS CARABOBO I Y CARABOBO II ENLACE QUE UNE A LAS SUBESTACIONES CARABOBO Y PEDRO CAMEJO. 1 Autor: Alejandro Bravo Tutor Académico: Ing. Édgar Núñez Tutor Metodológico: Arelys Bolívar

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO

“SANTIAGO MARIÑO”EXTENSIÓN VALENCIA

IMPLEMENTACIÓN DE PROTECCIONES NUMÉRICAS PARA ADECUAR LOS ESQUEMAS A LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LAS LÍNEAS

CARABOBO I Y CARABOBO II ENLACE QUE UNE A LAS SUBESTACIONES CARABOBO Y PEDRO CAMEJO.

Valencia, Enero 2015

1

Autor: Alejandro BravoTutor Académico: Ing. Édgar NúñezTutor Metodológico: Arelys Bolívar

Page 2: Tesis

ÍNDICE GENERAL Lista de Cuadros ………………………………………....…….………..….. Lista de Figuras ……………………………………………..….…………….Lista de Ecuaciones…………………………………………………………..Resumen………………………..…………………………..………...………. Introducción……………………………………………………….……………

CAPÍTULO I. EL PROBLEMA……………………………………………...………….. Contextualización del Problema….………….….……................................ Objetivos de la Investigación…………………….…………………………..

General………………………………………………….……....……......... Específicos……………………………………………….………….…......

Justificación de la Investigación…………………….................................... II. MARCO REFERENCIAL………….……………………...……....……. Antecedentes de la Investigación……………………..……………….......... Bases Teóricas…………………………………............................................Bases Legales…………………………………………………………………..Definición de Términos Básicos…..…..………………………………….......

III. MARCO METODOLÓGICO……………………..………….………..…

Modalidad de Investigación.…………………..….………............................ Diseño de la Investigación………………………….………………………..Población y Muestra …………………..………….……………………….….. Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos.……..….................... Validez del Instrumento ……………………………………..….…………….Fases de la investigación…………………………………………………….

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………………….………………REFERENCIAS ELECTRÓNICAS………………………….………………..

2

vviviiviii1

3

37778

10

10148587

91

919292939495

9798

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LISTA DE CUADROS

1. Cuadro 1 Tipo de Centrales según su energía primaria……………..2. Cuadro 2 Niveles normalizados para circuitos primarios de

distribución en Venezuela.………………………………………………3. Cuadro 3 Clasificación funcional de los componentes del sistema

de distribución.……..………………………………………..…………...4. Cuadro 4 Clases de precisión de los Transformadores de Tensión.5. Cuadro 5 Clases y Usos de los Transformadores de Medida………6. .7. …….8. ……..9. ……10. …..11. ……12. …….13. …….14. …..15. …….16. ………17. …..18. ……..19. ………20. ………21. ……..22. ………23. ………24. ……..25. ……..26. ……….27. ………28. ……….29. …….30. ………31. ……..32. ……..33. …….34. …….

3

17

21

234756

Page 4: Tesis

35. ………..36. ………..37. ……….38. ……….39. ……….40. ……….41. ………42. ………43. ……….44. ………45. ……….46. ………

4

Page 5: Tesis

LISTA DE FIGURAS

1. Figura 1 Sistema de Potencia……………………………………….… 2. Figura 2 Elementos de un Sistema de Potencia…………………….3. Figura 3 Central de Generación Hidroeléctrica…….……………….. 4. Figura 4 Líneas de Transmisión Planta centro, Carabobo………… 5. Figura 5 Esquema de Transporte y Distribución de la Energía

Eléctrica………………………………………………………………….. 6. Figura 6 Subestación Eléctrica...................………….……...…………..7. Figura 7 Transformador de Potencia………………………..………... 8. Figura 8 Disyuntor o Interruptor de Potencia…………………………9. Figura 9 Seccionador Tripolar 115 kV………………………………..Figura 9 Servicios Auxiliares…………………………………………..

10. Figura 10 Conexión de un Transformador de Potencial….………... 11. Figura 11 Corte esquemático de un TT Monofásico………….……. 12. Figura 12 Corte esquemático de un TP Capacitivo………………… 13. Figura 13 Esquema de un Transformador de Tensión Capacitivo... 14. Figura 14 Transformador de Potencial………………………………. 15. Figura 15 Identificación de bornes en TC……………………………. 16. Figura 16 Transformador de Corriente………………………….…… 17. Figura 17 Conexión de un TC………………………………………… 18. Figura 18 Zonas de Protección……………………………………….. 19. Figura 19 Zonas de Protección……………………………………….. 20. Figura 20 Falla entre dos Zonas de Protección………………….….. 21. Figura 21 Relé de Atracción Electrónica…………………………….. 22. Figura 22 Relé Tipo Balancín……………………………………...…. 23. Figura 23 Conexión Relé Sobrecorriente………………………….….24. Figura 24 Clase de Sobrecorriente según Cantidad Actuante……..25. Figura 25 Conexión de un Relé Sobrecorriente……………………...26. Figura 26 Conexión de un Relé Diferencial………………………..…27. Figura 27 Diagrama de un Relé Diferencial ………………………….28. Figura 28 Ejemplo de Protección de Barra ………………………..….29. Figura 29 Protección Diferencial de un Transformador…………..…30. Figura 30 Característica de Operación Cuadrilateral………………..31. Figura 31 Características de Operación Mho ……………………...…32. Figura 32 Tipos de Cortocircuitos…………………………………….. 33. Figura 33 Ubicaci6n del Fusible………………………………………34. ……………………………35. …………….36. …………….37. …………..38. ……………39. ……………..40. …………..

5

151820

232628293639434548495053545559596061626869707374757678798283

Page 6: Tesis

41. ……………42. ………….43. …………..44. ……………45. …………….46. …………….47. …………..48. …………49. …………..50. ………….51. ………………52. ……………53. ……………54. ……………55. …………..56. ……………57. …………58. ……….59. ………..60. ……….61. ………….62. ………..63. ……….64. ……..65. ……….66. ………67. ……..68. ………..69. ……..70. ………71. …….72. ……..73. ………74. ………….75. ……………..76. ………….77. ………….78. ………

6

Page 7: Tesis

LISTA DE ECUACIONES

1. Ecuación 1 Relación del Valor Umbral……………………….…………… 2. Ecuación 2 Relación del Valor umbral…………………………...………… 3. Ecuación 3 Valor Umbral.………………………………………..………..... 4. Ecuación 4 cociente de operación del relé………………………………… 5. ….6. ……7. …….8. ……9. ……..

7

67676881

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO

“SANTIAGO MARIÑO”EXTENSIÓN VALENCIA

IMPLEMENTACIÓN DE PROTECCIONES NUMÉRICAS PARA ADECUAR LOS ESQUEMAS A LAS NUEVAS TECNOLOGÍAS EN LAS LÍNEAS

CARABOBO I Y CARABOBO II ENLACE QUE UNE A LAS SUBESTACIONES CARABOBO Y PEDRO CAMEJO.

Línea de Investigación: Diseño Eléctrico, Protecciones Eléctricas

Autor: Alejandro Bravo

Tutor Académico: Edgar Núñez

Asesora Metodológica: Arelys Bolívar

Resumen

El presente Trabajo de Grado tiene como objetivo principal implementar protecciones numéricas mediante el cambio de ingeniería y equipos para adecuar los esquemas a las nuevas tecnologías en las líneas Carabobo I y Carabobo II enlace que une a las subestaciones Carabobo y Pedro Camejo.Al presentarse una falla, debido a que no se cuenta con la tecnología requerida, esta no es aislada en el tiempo mínimo necesario, tal eventualidad se debe también a la obsolescencia de los equipos que conforman los esquemas actuales; los elementos de este esquema de protección tienen aproximadamente unos 30 años de funcionamiento afectando el sistema en general que en este caso por estar en una zona industrial es fundamental y requiere la menor cantidad de fallas posibles, es por ello que surge la necesidad de hacer la implementación de nuevos esquemas de protecciones eléctricas, partiendo de la fase I con un diagnostico o detección de necesidades, el diagnóstico de la situación actual que presentan los esquemas de protección, en la fase II se van analizar los datos obtenidos en el diagnostico hecho anteriormente, obteniendo datos importantes ya que a través de estos se selecciona la protección a utilizar, en la fase III se hace una evaluación de la factibilidad técnico-económica del cambio de protecciones y en la IV fase se plantea la Implementación de Protecciones Numéricos, mediante el Cambio de Ingeniería y Equipos para adecuar los Esquemas a las Nuevas Tecnologías.

Descriptores: Subestaciones, Protecciones Eléctricas, Relé.

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Page 9: Tesis

INTRODUCCIÓN

En líneas generales, la mayoría de los expertos, entre ellos los

ingenieros eléctricos consideran que las fallas en los sistemas eléctricos de

nuestro país, cada vez se multiplican. Las mismas son ocasionadas por

cortocircuitos, sobrecarga, envejecimiento, recalentamiento, por acción de

agentes químicos, arboles, descargas atmosféricas, entre otras.

En este orden de ideas para dar respuesta a las fallas mencionadas

existen los sistemas de protección, los cuales constituyen un conjunto de

dispositivos instalados de manera estratégicas sobre el sistema de potencia

con la finalidad de interrumpir en forma inmediata el suministro de energía

cuando se presentan dichas fallas y para ello comúnmente se protege al

sistema dividiendo en zonas de protección a fin de que se desincorporen

solamente los sectores afectados por fallas, dejando el resto del sistema de

operativo.

Es de resaltar que para solucionar la problemática del servicio eléctrico

originando por estas fallas, los expertos recurren a la reingeniería,

empleando los sistemas de protección numérica para adecuar los esquemas

a las nuevas tecnologías.

Dentro de este contexto se destacan las debilidades que experimenta las

líneas Carabobo I y Carabobo II, en lace que une a las subestaciones

Carabobo y Pedro Camejo, estas presentan deterioro por el tiempo que

tienen y funcionan en un porcentaje muy bajo, lo cual hace que el sistema

eléctrico baje su calidad y ponga en peligro la vida útil de estos equipos, lo

que al final ocasionan el cumplimiento eficaz y eficiente del servicio eléctrico.

Partiendo de lo antes expuesto, esta investigación tiene como objetivo

implementar protecciones numéricas para adecuar los esquemas a las

nuevas tecnologías en las líneas descritas con anterioridad.

Para una mejor comprensión del estudio, el mismo se divide en 3

Capítulos, siendo el Capítulo I, el referido a la contextualización del problema

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Page 10: Tesis

y abarca su justificación u los objetivos generales y específicos, que

marcaran el camino a seguir en el desarrollo del estudio. El Capítulo II trata

acerca del marco teórico, el cual considera la revisión de antecedentes

relacionados con la presente investigación, incluye además las bases

teóricas, conceptuales y legales que fundamentan el estudio. El Capítulo III

corresponde a la descripción de la metodología que se empleará en la

investigación, y refiere al tipo de investigación, el cual obedecerá a un

proyecto factible, el diseño se realizará bajo el enfoque de campo de tipo

descriptivo, y se desarrollará en tres fases: Fase I: incluye el diagnóstico de

la situación y el estudio de las estadísticas de fallas, la Fase II: en la cual se

identifica la ingeniería de detalle actual a través del análisis de los datos

recopilados en el diagnóstico, en la fase III: se evalua la factibilidad técnica y

económica del proyecto y la Fase IV: en esta se aplicará la reingeniería y las

pruebas para la puesta en servicio de los esquemas de protección en las

líneas Carabobo I y II, enlace que une a las subestaciones Carabobo y Pedro

Camejo.

Asimismo, la metodología hace referencia a la población a estudiar,

técnicas e instrumentos para recolectar la información, validez y confiabilidad

del instrumento, y la forma como se analizaran los datos recabados. Por

último se incorporan las referencias bibliográficas correspondientes.

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Page 11: Tesis

11

Page 12: Tesis

protección, con miras a asegurar su funcionalidad, óptimo rendimiento y vida

útil.

Dentro de los equipos antes mencionados están los sistemas de

protección, los cuales se utilizan en los sistemas eléctricos de potencia para

evitar la permanencia de fallas que podrían iniciarse de manera simple y

extenderse sin control. Los sistemas de protección deben aislar la parte

donde se ha producido la falla buscando perturbar lo menos posible la red,

evitar el daño al equipo fallado.

Los sistemas de protección poseen características muy particulares

como son; selectividad, seguridad, velocidad, simplicidad y economía.

Por otra parte, los esquemas de protección se pueden utilizar en

protecciones de generadores, en motores, transformadores y líneas de

transmisión (LT); siendo ésta última de útil importancia en un sistema de

potencia y están destinadas a transportar la energía, desde su generación

hasta el punto de distribución para su consumo.

Refiriéndose al caso de Venezuela, la empresa encargada de llevar el

servicio de electricidad hasta los usuarios es la Corporación Eléctrica

Nacional (CORPOELEC), comparando su capacidad de generación instalada

en las centrales existentes, con el acelerado crecimiento de la demanda de

energía eléctrica, se observa que existe un gran déficit de dicha capacidad

instalada. Esto se ha venido reflejando con las frecuentes interrupciones en

el suministro de energía eléctrica, lo cual trae como consecuencia, la

necesidad de desarrollar centros de generación que cuenten con esquemas

de protección adecuados a los requerimientos.

Como era de esperarse, dentro de la geografía Venezolana el estado

Carabobo, ubicado en la región centro norte del país y contando con la zona

industrial más grande de todo el país, no queda exento de las fallas repetidas

las cuales ocurren en el servicio eléctrico de los diferentes municipios que lo

conforman.

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En la zona industrial de Valencia se encuentra una subestación llamada

Pedro Camejo perteneciente a CORPOELEC, ésta recibe líneas transmisión

de las subestaciones Valencia, Planta del Este, San Diego y Carabobo,

pertenecientes al Sistema Eléctrico Nacional de Venezuela como puede

verse en el diagrama unifilar (Ver anexo A). Dicha subestación también

aporta energía eléctrica al Sistema Interconectado Nacional a través de su

planta de generadora, con alrededor de 300 MW estos enviado después de

ser elevados a una tensión de 115 KV a la subestación San Diego a través

de dos líneas de transmisión, pero también consta con su patio de

distribución el cual es de una gran importancia ya que alimenta empresas

muy importante en el sector industrial, gracias a su ubicación esta

subestación es prioridad del Sistema Eléctrico Carabobeño tanto por el

consumo de dichas empresas como la conexión que logra hacer,

entrelazándose con la subestación Carabobo y dándole así la seguridad a

esta zona tan importante para el desarrollo y la economía de nuestro estado.

Es de hacer notar también que esta subestación Pedro Camejo vienen

presentado deterioros a través del tiempo, ya que cuenta con más de 30

años de la puesta en servicio y el mantenimiento ha sido relativo, logrando

esto que los equipos se encuentren obsoletos y funcionando en un

porcentaje muy bajo, bajando la calidad del sistema eléctrico y coloque en

peligro la vida útil de todos los equipos que la conforman.

Es así como en las líneas Carabobo I y Carabobo II, están ocurriendo

irregularidades originadas por un conjunto de debilidades que obstaculizan el

cumplimiento eficaz y eficiente del servicio eléctrico. Dichas debilidades

están asociadas de manera directa con la protección con Hilo Piloto, Un

inconveniente de tal sistema es el hecho de estar expuesto a la permanente

interferencia de la línea de transmisión, aspecto que tiene un efecto más

crítico durante las fallas.

Asimismo las líneas de transmisión que comunican la subestación Pedro

Camejo con la subestación Carabobo, cuentan con una longitud de 600mts,

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Page 14: Tesis

siendo esta distancia muy corta y la protección solapa las demás

protecciones referidas a las líneas. Otra de las causas por lo cual se da

origen a la problemática es que el esquema de diferencial de Hilo Piloto por

estar fuera de la subestación abordada, fue objeto de hurto y por lo tanto se

encuentran fuera de servicio, de allí que la protección principal no esté

trabajando siendo la protección de respaldo la única en funcionamiento

aunque esta cuenta con un tecnología ya no muy utilizada.

Por otro lado la problemática llega hasta límites alarmantes por cuanto

no se cuenta con la tecnología requerida y su funcionamiento se vuelve

impreciso, las causas como ya antes se mencionaron se deben entre otros

motivos a la obsolescencia de los equipos de protección, todos estos

esquemas ya pasan la vida útil, no soportan más reparaciones por ser

sumamente delicados, ya no se encuentran repuestos en el mercado y por

supuesto no cumplen con la supervisión y control que se requiere para la

protección de los equipos y del sistema.

Toda esta situación trae como resultado, retraso en las reparaciones por

cuanto la notificación de las fallas no llega a tiempo o no delimita su origen,

también pérdida de tiempo del personal en buscar cuál de los equipos se

encuentra dañado y/o que falla presenta. Esta situación permite que el

análisis de fallas sea muy lento lo cual origina que se repitan las mismas

antes de determinar su origen y lograr solucionarla para que no ocurra

nuevamente. Otra consecuencia es que los equipos sufren más de lo normal

y pueden llegar en tal caso a dañarse por completo lo cual sumaría otra

problemática más.

Frente a los planteamientos expuestos, cabe formularse las siguientes

interrogantes:

¿Qué acciones ejecutar para precisar las debilidades encontradas en las

líneas Carabobo I y Carabobo II?

¿Cuáles esquemas de protección implementar para mejorar las fallas que

frecuenta el servicio eléctrico en las líneas Carabobo I y Carabobo II?

14

Page 15: Tesis

Objetivos de la Investigación

Objetivo general

Implementar protecciones numéricas mediante el cambio de ingeniería y

equipos para adecuar los esquemas a las nuevas tecnologías en las líneas

Carabobo I y Carabobo II enlace que une a las subestaciones Carabobo y

Pedro Camejo.

Objetivos específicos

1. Diagnosticar la situación actual que presentan los esquemas de

protección actuales en las líneas Carabobo I y Carabobo II enlace que

une a las subestaciones Carabobo y Pedro Camejo.

2. Analizar los parámetros obtenidos de las protecciones calculando los

niveles de cortocircuito para el diseño de la nueva ingeniería de detalle

en las líneas Carabobo I y Carabobo II.

3. Evaluar la factibilidad Técnica-Económica de la implementación de las

protecciones numéricas en las líneas Carabobo I y Carabobo II.

4. Ejecutar el cambio de equipos realizando las pruebas de aceptación

para la puesta en servicio de los nuevos esquemas numéricos de

protección en las líneas Carabobo I y Carabobo II.

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Page 16: Tesis

Justificación de la investigación

En los últimos años, el servicio de energía eléctrica se ha visto afectado

por una gran cantidad de interrupciones debido a que las protecciones

actúan cuando no deberían hacerlo, esto a consecuencia de la

obsolescencia de los esquemas actuales y el crecimiento de la demanda en

los circuitos a través del tiempo, así como también se ve afectado el servicio

eléctrico por factores climáticos que desmejoran el funcionamiento de los

esquemas de protecciones.

La presente investigación, contempla la implementación de esquemas

de protecciones para adaptar los actuales a las nuevas tecnologías, a través

de la recopilación de información necesaria y de diagnósticos en la medición

de parámetros de operación y evaluando fallas que se hayan presentado,

para así poder mantener la continuidad del servicio eléctrico prestado por la

empresa suministradora de energía eléctrica CORPOELEC.

Esta modernización logró una mejora en el sistema eléctrico de potencia,

permitiendo determinar cuándo ocurre una falla en el sistema con más

precisión, se implementó un sistema de comunicación único en las

protecciones numéricas que logra facilitar la medición, la supervisión y el

control del sistema eléctrico, protegiendo de una mejor manera los equipos,

y al momento de una falla logra determinar con exactitud donde se ubica y

cuál es la causa que la origina.

Todo esto se efectuó con el cambio de ingeniería de los esquemas de

protección, las pruebas de todos los esquemas con los permisos requeridos

y la puesta en servicio, dando así una solución a la problemática planteada.

Desde el punto de vista social, existe un beneficio concreto tanto para la

empresa como para los usuarios del servicio eléctrico, ya que se minimizó

las interrupciones que afectan con frecuencia las diferentes actividades de la

vida cotidiana, en centros comerciales, escolares, sociales y especialmente

en zonas industriales, incidiendo en la calidad del servicio y así como

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Page 17: Tesis

también en la calidad de vida de los usuarios, justificándose así la realización

del estudio.

Desde el punto de vista académico, la presente investigación se basó en

reunir la experiencia de varios especialistas de empresas eléctricas,

laboratorios, ingenierías y universidades, cuyos esfuerzos están

concentrados básicamente en explicar, de forma teórica y práctica la

optimización de equipos de protección basándose en nuevas tecnologías. De

este modo cobra importancia el aporte que puede significar para otros

estudios similares que se realicen en el Instituto Universitario Politécnico

“Santiago Mariño”, sirviendo de referencia a estudiantes y docentes de

ingeniería de esta y otras casas de estudio. Así como también se pretende

que los resultados y conclusiones de esta investigación sirvan de

complemento a la formación académica del investigador y permita su

crecimiento personal y profesional.

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Page 18: Tesis

18

Page 19: Tesis

relés electrónicos multifunción, fusibles tipo SF-T y como novedad para la

empresa, la implementación de seleccionadores.

Como se pudo observar el investigador concluye que una vez realizada

la evaluación del sistema eléctrico y considerando la coordinación

satisfactoria por cuanto no hubo alteración al coordinarlo con los demás

equipos procedió a la homologación de fusibles, para las derivaciones

protecciones para la troncal y reconectadores donde fuese factible realizarlo.

Luego de revisar el estudio se constató la relación con la presente

investigación ya que ambos investigadores utilizaron un elemento importante

en lo que a protecciones eléctricas se refiere, los relés, pues estos se utilizan

en el proceso de protección y la mayoría de las veces son usados con el

propósito de brindar un mejor servicio eléctrico, satisfacer las demandas de

los usuarios, lo que redundara en una mejor calidad de los mismos, máximo

cuando en los últimos meses, el servicio eléctrico ha sido seriamente

cuestionado por gran parte de los habitantes, sobre todo del estado

Carabobo, en el cual las continuas interrupciones mantienes en zozobra a las

personas en diferentes comunidades.

Otro de los trabajos relacionados con esta investigación es el de Olivet,

A. (2010) quien llevo a cabo un Trabajo de Grado denominado “Propuesta de

rediseño de las protecciones eléctricas en los circuitos de salida del

transformador uno (1), subestación uno (1) en Alimentos Polar Comercial

Planta Limpieza”, realizado en el Instituto Universitario Politécnico Santiago

Mariño, para optar por el título de Ingeniero Electricista.

El objetivo de esta investigación fue proponer el rediseño de sistemas de

protecciones eléctricas en los circuitos de salida del transformador uno (1)

Subestación uno (1) en Alimentos Polar Comercial, Planta limpieza. Este

estudio se desarrolló siguiendo los lineamientos de un proyecto factible, bajo

un enfoque de investigación de campo.

Por obedecer a un proyecto factible este se efectuó en tres (3) fases; la

fase I permitió elaborar un diagnóstico de cargas eléctricas para verificar el

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Page 20: Tesis

estado actual de las mismas. En la fase II se procedió a calcular las

corrientes de cortocircuito mediante cálculos matemáticos y en la fase III se

planteó el rediseño de protecciones eléctricas.

Los resultados evidenciaron que las fallas presentadas no fueron

detectadas por la protección principal, tal eventualidad en la planta limpieza

se reflejó en el interruptor principal de salida del transformador, lo cual

ocasionó que los siete (7) circuitos alimentados quedaran sin servicio

eléctrico. Otra debilidad detectada es la referida a que algunas protecciones

tienen un tiempo cercano a los 15 años; de igual modo en este ambiente se

prevé la ampliación de la planta de detergentes, esto requiere de nuevas

cargas, lo que lleva a aumentar la capacidad instalada.

En virtud de todas las fallas diagnosticadas es que el autor llega a la

conclusión de proponer un rediseño de sistemas de protecciones con la

finalidad de garantizar la selectividad, confiabilidad y rapidez del tiempo de

despeje evitando así daños a los equipos y preservando la integridad de las

personas que laboran en dicha planta.

Es de destacar que la investigación presentada se encuentra

relacionada con este estudio por cuanto las dos persiguen objetivos

semejantes debido a que estudian los sistemas de protección como una de

las soluciones más rápida para dar respuesta en menor tiempo al

requerimiento y demandas del servicio eléctrico, que reclaman los usuarios.

Asimismo ambos autores pretenden proteger los equipos en las diversas

subestaciones partiendo de la vida útil de los mismos, más aun si se toma en

cuenta que estos tienen más de 15 años de servicio.

También Gómez, F. (2009) realizo un Trabajo de Grado titulado: “Estudio

de la coordinación de protección en los equipos de 115 kV, 34.5 kV y 13.8 kV

en la subestación Tocuyito de CORPOELEC, región 6 zona Carabobo”. El

mismo fue elaborado en el Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño,

para optar por el título de Ingeniero Electricista. El estudio tuvo como objetivo

estudiar la coordinación de protecciones en los equipos de 115 kV, 34.5 kV y

20

Page 21: Tesis

13.8 kV, en la subestación Tocuyito de CORPOELEC.

El estudio se enmarco bajo la modalidad de proyecto factible y se acogió

a un diseño de campo. Se efectuó en tres (3) fases; la primera fase permitió

al autor recopilar toda la información técnica referente a los equipos que

componen la subestación mencionada, la segunda fase se estudió el

software, lo cual facilito el conocimiento de programas responsables de la

operación de los dispositivos de protección y en la tercera fase, se realizó el

estudio de coordinación de protecciones aplicando el programa Sistema

Integrado de Distribución (SID).

En este sentido los hallazgos destacaron la necesidad de ajustar la

protección a distancia de las líneas estudiadas en 115kV y al identificar con

veracidad, las variables influyentes en la solución de la problemática, por lo

cual se concluye que es impostergable brindar mayor confiabilidad y

continuidad en el suministro de energía eléctrica a los pobladores del

municipio Libertador, estado Carabobo, a través del estudio de la

coordinación de protecciones eléctricas.

Cabe resaltar que existe una vinculación directa entre el estudio revisado

y la presente investigación ya que ambos abordan elementos sobre las

protecciones eléctricas, tan necesarias en aras de lograr el adecuado

funcionamiento del servicio eléctrico en los diversos ambientes donde

sucede la problemática, en este caso en la subestación Tocuyito y el enlace

que une las subestaciones Carabobo y Pedro Camejo de CORPOELEC.

21

Page 22: Tesis

Bases teóricas

Sistema de Potencia

El Institute of Electrical and Electronics Engineer (IEEE) contempla que

el sistema de potencia se define como una red formada por unidades

eléctricas, cargas y/o líneas de transmisión de potencia, incluyendo el equipo

asociado, conectado eléctricamente o mecánicamente a la red (Ver figura 1).

Las tareas de un Sistema de Potencia son realizadas en Venezuela por

la Corporación Eléctrica Nacional (CORPOELEC), y las actividades que lo

conforman son:

1 Generación.

2 Transmisión.

3 Distribución.

Los sistemas de potencia son estructuras complejas y extensas, y

debido a múltiples factores (estratégicos, económicos, entre otros.) no

operan de manera aislada sino que por el contrario, se encuentran

relacionados entre sí, constituyendo lo que se denomina un Sistema

Interconectado.

Un sistema interconectado son dos o más sistemas de potencia que se

encuentran conectados eléctricamente entre sí, los cuales son planificados y

operados de manera que se pueda suministrar la energía de una forma

confiable y económica a sus cargas y consumidores, combinando, con los

planes de expansión, mejora y mantenimiento de cada sistema, con el

objetivo de lograr crecer a la par de la carga.

Las interconexiones facilitan la coordinación de las actividades de

planificación y operación de los sistemas de generación y trasmisión de los

sistemas de potencia, integra los subsistemas a efectos de expandir y operar

el sistema interconectado. Y así satisfacer la demanda de energía eléctrica.

Las partes fundamentales que conforman un sistema de potencia en

Venezuela son: central de generación, subestación de generación, líneas de

22

Page 23: Tesis

transmisión, subestación de transmisión o enlace, subestación de

distribución, cargas o consumidores y el sistema de protección.

Figura 1: Sistema de Potencia. Fuente: Dialineth Corrales (2012).

Elementos de un Sistema de Potencia

En la figura 2 se representan en forma elemental un sistema de

potencia, consiste esencialmente de una central generadora, un sistema de

transmisión, un sistema de subtrasmision y un sistema de distribución.

En la estación generadora los generadores G1 y G2 transforman energía

mecánica en energía eléctrica. El voltaje de salida de los generadores

generalmente está comprendido entre 13.8kV y 26 kV. La tensión de los

generadores se eleva mediante los transformadores T1, T2 para que la

energía eléctrica pueda ser transmitida a distancias considerables con

pérdidas razonables. Los voltajes de transmisión son muy variables, siendo

típicos los valores 115kV, 230kV, 400kV y 800kV (765kV).

Las líneas de transmisión L1, L2 levan energía de la central generadora

a la subestación S2 situada en un punto intermedio entre la central y el

centro de consumo. En esta subestación el voltaje se reduce mediante los

23

Page 24: Tesis

transformadores T3 y T4. El voltaje de salida en S2 también es variable,

siendo típicos los valores 230kV, 115kV, 69kV y 34,5kV.

La subestación S2 alimenta varias líneas de subtransmision, de las

cuales se han indicado 3 (L3, L4 y L5). Finalmente, muy cerca al punto de

consumo se hace una nueva reducción de voltaje mediante el transformador

T5. El voltaje de salida de T5 es variable, siendo típico el valor 13.8kV. Este

último transformador alimenta varias líneas de distribución como T6 y T7. La

tensión de salida de estos transformadores depende del tipo de carga:

residencial o industrial. Si la carga es residencial el voltaje es casi siempre de

120V/208V (120 V entre fase y neutro y 208V entre líneas). Si la carga es

industrial se pueden tener varios valores de voltaje siendo el más típico el

valor de 480V.

Figura 2: Elementos de un Sistema de Potencia. Fuente: Carlos Romero (ULA).

Generación de Energía Eléctrica

24

Page 25: Tesis

Es el proceso mediante el cual se obtiene energía eléctrica a partir de

otras formas de energía, en si se origina en un “generador de energía

eléctrica” mediante una maquina motriz que da la denominación al tipo de

“central” generadora. Los términos central o planta eléctrica se han

generalizado y se entiende que son los locales donde se genera la energía.

El sistema de generación es la parte básica del sistema de potencia,

esta se encarga de entregar la energía eléctrica al sistema, esto a partir de la

transformación de distintos tipos de energía primaria. Estas se ubican

dependiendo las condiciones físicas de la fuente primaria de utilización.

Según el tipo de servicio que hayan de prestar o suministrar las

centrales eléctricas estas se pueden clasificar en:

1 Central de base o centrales principales: destinadas a suministrar la

mayor parte de la energía en forma continua; son de gran potencia y

utilizan generalmente como maquinas motrices las turbinas hidráulicas

de gas o de vapor.

2 Centrales de punta: exclusivamente proyectadas para cubrir las

demandas de energía eléctricas en las horas puntas, en dichas horas

se ponen en funcionamiento y trabajan en paralelo con la central

principal.

3 Centrales de reserva: tienen por objeto sustituir total o parcialmente

a las centrales hidráulicas de base en casos de escasez de agua o

avería de algún elemento del sistema eléctrico.

4 Centrales de emergencia: tienen igual cometido que las centrales de

reservas, pero las instalaciones del conjunto de aparatos y maquinas

son móviles y pueden desplazarse al lugar donde sean necesarios sus

servicios; además son de pequeña potencia.

5 Centrales de acumulación o de bombeo: son siempre

hidroeléctricas, se aprovecha el sobrante de potencia de una central

hidroeléctrica en las horas de baja demanda, para elevar el agua de

25

Page 26: Tesis

un rio mediante bombas centrifugadas accionadas por los

alternadores de la central.

La demanda de energía eléctrica de una ciudad, región o país tiene una

variación a lo largo del día. Esta variación es función de muchos factores,

entre los que destacan: tipos de industrias existentes en la zona y turnos que

realizan en su producción, climatología extremas de frío o calor, tipo de

electrodomésticos que se utilizan más frecuentemente, tipo de calentador de

agua que haya instalado en los hogares, la estación del año y la hora del día

en que se considera la demanda. La generación de energía eléctrica debe

seguir la curva de demanda y, a medida que aumenta la potencia

demandada, se debe incrementar la potencia suministrada. Esto conlleva el

tener que iniciar la generación con unidades adicionales, ubicadas en la

misma central o en centrales reservadas para estos períodos.

En general los sistemas de generación se diferencian por el periodo del

ciclo en el que está planificado que sean utilizados; se consideran de base la

nuclear y la eólica, de valle la termoeléctrica de combustibles fósiles, y de

pico la hidroeléctrica principalmente (los combustibles fósiles y la

hidroeléctrica también pueden usarse como base si es necesario).

Existe una gran diversidad de métodos para generar energía eléctrica,

de acuerdo a la forma de energía primaria a transformar se pueden distinguir

los tipos especificados en el cuadro 1.

Las centras clásicas antes nombradas pueden definirse de la siguiente

manera:

Centrales hidroeléctricas: El agua de una corriente natural o artificial, por

el efecto de un desnivel, actúa sobre las palas de una turbina hidráulica.

Centrales térmicas convencionales: El combustible fósil (carbón, fueloil o

gas) es quemado en una caldera a fuerte temperatura para generar energía

calorífica que se aprovecha para generar vapor de agua. Este vapor (a alta

26

Page 27: Tesis

presión) acciona las palas de una turbina de vapor, transformando la energía

calorífica en energía mecánica.

Centrales térmicas de ciclo combinado: Combina dos ciclos

termodinámicos. En el primero se produce la combustión de gas natural en

una turbina de gas, y en el segundo, se aprovecha el calor residual de los

gases para generar vapor y expandirlo en una turbina de vapor.

Centrales nucleares: La fisión de los átomos de uranio libera una gran

cantidad de energía que se utiliza para obtener vapor de agua que, a su vez

se utiliza en un grupo turbina-alternador para producir electricidad.

Cuadro 1: Tipo de Centrales según su Energía Primaria.

Clásicas Alternativas

Generación Mareomotriz

Generación Térmica Generación Solar

Generación Geotérmica

Generación Nuclear Generación Eólica

Generación Magneto Hidrodinámica

Generación Hidráulica Generación por Biomasas

Fuente: Francisco González (2008).

En la figura 3 se observa los componentes de una central de generación

hidroeléctrica donde el agua es el recurso utilizado para que a través de los

mecanismos y equipos mostrados se obtenga la energía eléctrica.

Transmisión de Energía Eléctrica

La ubicación de grandes centrales de generación, obligan a transportar

grandes bloques energéticos generados a través de grandes distancias, de

manera que lleguen a los centros de consumo.

27

Page 28: Tesis

Figura 3: Central de Generación Hidroeléctrica. Fuente: Unesa (2008).

Los grandes recursos hidráulicos en Venezuela se ubican en la región

de Guayana, mientras que las centrales térmicas se encuentran en la zona

central, de tal forma que para unir todas estas fuentes de generación con los

distribuidos centros de consumos, se emplea las redes de trasmisión de

potencia eléctrica.

En Venezuela las áreas que conforman el Sistema Interconectado

Nacional (SIN) se encuentran unidas a través de un sistema de transmisión

que alcanza los noveles de tensión de 115, 230, 400 y 765kV.

Cada uno de estos sistemas recibe el nombre de la red troncal de

transmisión presentando longitudes apreciables como el enlace que existe

entre Guayana-Centro que posee aproximadamente 650 km.

La misión de esta parte del sistema de potencia es transportar los

grandes bloques de energía desde los centros de generación a todos los

puntos del sistema, además de interconectar las diferentes centrales y/o

diferentes sistemas de potencia. Las líneas de transmisión son los elementos

más extensos del sistema de potencia y poseen un gran número de ventajas:

1 Permite producir energía en forma más económica.

2 Se logra disminuir la capacidad de reserva y reserva rodante.

28

Page 29: Tesis

3 Las líneas de transmisión permiten mejorar la confiabilidad del

sistema.

El principio básico del porque se eleva el voltaje para transmitir la

energía eléctrica viene dado por la ley de ohm, quien dice que a mayor

corriente menor voltaje y viceversa, es decir, que al elevar el voltaje hay

menor corriente y esto hace que el medio de transporte sea de menor

tamaño ya que el calibre depende de la cantidad de corriente que pueda

soportar y conducir sin calentarse por efecto joule. También al duplicar

voltaje de una línea de transmisión de cuadriplica la potencia, por ello cada

vez las tensiones de operación son mayores, es decir, hay más posibilidad

de transmitir más potencia al elevar el nivel de la tensión en las línea.

Los sistemas de transmisión están constituidos por una subestación

dotada de transformadores, que elevan el voltaje de generación a otro más

alto, un tendido de conductores soportados por estructuras especiales, y

subestaciones reductoras intermedias donde se reduce nuevamente el

voltaje a tensiones de utilización práctica. Los voltajes de transmisión

dependen de la distancia y volumen de la energía eléctrica a transportar.

También es posible transportar energía mediante sistemas de corriente

continua. Para ello es necesario añadir después de elevado el voltaje ya

antes de su reducción, equipos denominados rectificadores, que transforman

la corriente alterna en directa. Estos sistemas existen en Brasil, Estados

Unidos y en algunos países Europeos.

La figura 4 muestra una línea de transmisión a un nivel de 230 kV.

Distribución de Energía Eléctrica

En esta fase del sistema de potencia se encuentran las técnicas y

sistemas empleados para la conducción de la energía hasta los usuarios

dentro del área de consumo.

La energía eléctrica es transmitida frecuentemente en bloques de gran

29

Page 30: Tesis

magnitud o al menos una cantidad considerable y en altas tensión desde el

punto de generación hasta el área donde se pretende distribuirla, de ahí que

sea necesario ejecutar uno o más pasos de transformación para llevarla a los

niveles de utilización.

Figura 4: Líneas de Transmisión Planta centro, Carabobo. Fuente: Ana Díaz (2011).

El sistema de distribución es el último elemento del sistema de potencia

antes de llegar a los consumidores. Esta parte del sistema está compuesto

de líneas y dispositivos para distribuir la energía eléctrica hasta los usuarios.

Estos pasos de transformación dan lugar a las diferentes etapas del sistema

de distribución.

Dentro del sistema de distribución se distinguen dos grandes niveles

bien diferenciados:

1 Sistema de Distribución Primario.

2 Sistema de Distribución Secundario.

El sistema de distribución primario comienza en la salida de las

subestación de distribución de este punto los circuitos de subtransmision

alimentan a los transformadores de distribución.

Esta distribución primaria está normalizada en Venezuela dependiendo

el área o la empresa.

30

Page 31: Tesis

En el cuadro 2 se muestran los niveles de tensión o voltajes comunes en

Venezuela. Hoy en día todas estas empresas forman parte de Corpoelec.

Cuadro 2: Niveles normalizados para circuitos primarios de distribución en Venezuela.

Empresa Nivel de Voltaje (kV)

CADAFE y sus filiales 6.9 y 13.8

Electricidad Caracas 4.8, 8.3 y 12.47

Empresas Petroleras 2.4, 4.16 y 6.9

Fuente: Francisco González (2008).

Los circuitos de distribución primario se caracterizan porque están

conectados a un solo punto o subestación de distribución (Sistemas

Radiales), y es muy poco visto solo en casos especiales la conexión a más

de una subestación (Sistema en Anillo).

En Venezuela es común que las empresas eléctricas suministren una

cierta cantidad de potencia en cuatro niveles de voltaje básicos y sus

combinaciones: 120/240V, 208V 480V y 600V.

De acuerdo a su configuración los sistemas de distribución pueden ser:

1. Radial: muy económico y utilizado en sitios rurales y de baja carga.

2. Lazo o anillo: se usa en carga medias. Con mediana confiabilidad.

El sistema de distribución puede considerarse que inicia en una estación

eléctrica de potencia con transformadores, y de líneas de transmisión, que

llegan a subestaciones de distribución con otra de transformación (a media

tensión) circuitos primarios, derivaciones, transformadores de distribución, y

red secundaria que llega a los usuarios.

Los Componentes del sistema de distribución son los siguientes:

1. Transformador de Estación de Potencia (principal): Recibe

potencia del sistema de transmisión, la trasforma y la entrega a la

tensión de subtransmision.

31

Page 32: Tesis

2. Sistema de Subtransmision: Circuitos que salen de la estación

principal y alimentan las subestaciones de distribución.

3. Subestación de Distribución: Recibe potencia del sistema de

subtransmision la trasforma y la entrega a la tensión de los

alimentadores primarios.

4. Alimentador Primario: Circuitos que salen de las subestaciones de

distribución y alimentan los transformadores de distribución.

5. Transformador de Distribución: Transforma a la tensión de

utilización.

6. Red secundaria y servicios: Distribuye potencia a los consumidores.

Es importante esquematizar una clasificación de la carga que se

alimenta, en el cuadro 3 se observa los tipos de cargas encontrados.

En resumen la red de Distribución de la Energía Eléctrica o Sistema de

Distribución de Energía Eléctrica es la parte del sistema de suministro

eléctrico cuya función es el suministro de energía desde la subestación de

distribución hasta los usuarios finales (medidor del cliente).

Cuadro 3: Clasificación funcional de los componentes del Sistema de Distribución.

Residencial Comercial Industrial

Urbana Zona de centro ciudad Pequeñas plantas

Suburbana Zona comercial Grande plantas

Rural Edificios comerciales

Fuente: Scribd (2009).

Después de transportar la energía eléctrica se distribuye a las industrias,

centros comerciales, residencias y alumbrado público. 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

32

Page 33: Tesis

el interruptor que alimenta esta red (Ver figura 5).

Figura 5: Esquema de transporte y distribución de la energía eléctrica. Fuente: Sara Montoya (2009).

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.

Subestaciones Eléctricas

Las subestaciones eléctricas son las instalaciones encargadas de

realizar transformaciones de la tensión, de la frecuencia, del número de fases

o la conexión de dos o más circuitos, pueden ubicar grandes o pequeños

espacios dependiendo su nivel de tensión y su utilización.

Es un conjunto de dispositivos eléctricos, que forman parte del sistema

eléctrico de potencia, donde su principal función es: “Transformar tensiones y

derivar circuitos de potencia”.

Pueden ser de corriente alterna (AC) o de corriente continua (CC). Las

subestaciones se clasifican según la operación que hagan:

1. Subestaciones variadores de tensión:

a. Subestación elevadora.

33

Page 34: Tesis

b. Subestación reductora.

2. Subestaciones de maniobra o seccionadoras de circuito.

3. Subestaciones mixtas (mezcla de las dos anteriores).

Los componentes y equipos que conforman una subestación eléctrica

son los siguientes:

1. Interruptor Automático.

2. Seccionadores.

3. Conmutadores de Puesta Tierra.

4. Transformadores de Corriente.

5. Transformadores de Potencial.

6. Capacitadores de Acoplamiento.

7. Filtros de líneas.

8. Apartarrayos.

9. Transformadores de Potencia.

10.Reactores de Derivación.

11.Reactores Limitadores de Corriente.

12.Barras y Aisladores de Estación.

13.Sistemas de Puesta a Tierra.

14.Capacitores en Serie.

15.Capacitores en Derivación.

16.Banco de Baterías.

17.Equipos de Protección.

El objetivo de una subestación Eléctrica es el ser confiable, económica,

segura y con un diseño tan sencillo como sea posible; éste último debe

proporcionar un alto nivel de continuidad de servicio y contar con medios para

futuras ampliaciones, flexibilidad de operación y bajos costos inicial y final.

Debe estar equipada con lo necesario para dar mantenimiento a líneas,

interruptores automáticos y disyuntores, sin interrupciones en el servicio ni

riesgos para el personal y los consumidores.

34

Page 35: Tesis

El mantenimiento a una subestación debe ser preventivo y correctivo. El

preventivo es el más utilizado y se realiza antes de que ocurra una falla o

avería, se efectúa bajo condiciones controladas sin la existencia de algún

error en el sistema.

El correctivo es aplicado cuando ocurre una falla o avería inesperada, se

efectúa bajo condiciones de riesgo y se estudia el origen del error en el

sistema que causo la falla.

Para evitar las negligencias en las Subestaciones Eléctricas se debe

considerar que:

1. Todas las partes metálicas deben estar al potencial de tierra.

2. El área perimetral debe estar aterrizada en su totalidad.

3. El nivel de aislamiento de los componentes activos de la Subestación

Eléctrica deben superar el Nivel básico de Impulso.

4. Toda la capacidad térmica de los aisladores ha de superar los 90ºC.

5. La altura de las barras respecto al suelo ha de ser mayor de 3 metros.

6. No se permite el tránsito de personas por áreas de la subestación que

se encuentren energizadas.

7. La distancia mínima entre la cerca perimetral y el transeúnte es de

1.5metros.

En la figura 6 se observa el patio de una subestación eléctrica en

funcionamiento.

Figura 6: Subestación Eléctrica. Fuente: Patio Subestación San Diego (2014).

35

Page 36: Tesis

Líneas de transmisión

Es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los

elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a través de

grandes distancias la energía generada en las centrales eléctricas.

En general los elementos esenciales de una línea de trasmisión, son los

siguientes:

1. Torres o estructuras.

2. Cadenas de aisladores y herrajes.

3. Conductor(es), cable(s) de guarda y puesta a tierra.

Para transmitir la energía eléctrica desde los puntos de generación, se

requiere de líneas eléctricas, que deben operar a un valor de tensión que es

directamente proporcional a la distancia requerida para su transporte y a la

corriente eléctrica necesaria en el extremo de la carga. Para llegar a los

valores de tensión para su consumo por las industrias o las casas habitación,

es necesario que la tensión de transporte en las líneas eléctricas primarias,

se reduzca mediante transformadores eléctricos; este proceso de

transformación se realiza en varios pasos dependiendo de la distancia del

punto de generación y la energía demandada por el centro urbano o

industrial.

Una línea de transmisión eléctrica es básicamente el medio físico

mediante el cual se realiza la transmisión y distribución de la energía

eléctrica, está constituida por: conductores, estructuras de soporte,

aisladores, accesorios de ajustes entre aisladores y estructuras de soporte,

y cables de guarda (usados en líneas de alta tensión, para protegerlas de

descargas atmosféricas); es de suma importancia el estudio de las

características eléctricas en los conductores de las líneas, estas abarcan los

parámetros impedancia y admitancia, la primera está conformada por la

resistencia y la inductancia uniformemente distribuidas a lo largo de la línea y

se representa como un elemento en serie. La segunda está integrada por la

susceptancia y la conductancia y en este caso se representa como un

36

Page 37: Tesis

elemento en paralelo, la conductancia representa las corrientes de fuga entre

los conductores y los aisladores, esta es prácticamente despreciable por lo

que no es considerado un parámetro influyente, las características tanto de

los elementos físicos como eléctricos se explicaran a continuación.

Las líneas eléctricas de se pueden clasificar por su función en:

1. Líneas de transmisión: Son aquellas que se utilizan para transportar

la energía eléctrica a grandes distancias, a niveles de voltajes

superiores a los 34.500V. Estas constituyen el eslabón de unión entre

las centrales generadoras y las redes de distribución. Para la

construcción de estas líneas se utilizan casi exclusivamente

conductores metálicos desnudos, que se obtienen mediante cableado

cableado de hilos metálicos (alambres) alrededor de un hilo central.

2. Líneas de distribución: Son aquellas que van desde las

subestaciones hasta los centros de consumo como son las industrias,

domicilios y alumbrado público, los niveles de tensión utilizados son

por debajo de los 34.500v. Los conductores en media tensión siguen

siendo desnudos, pero en baja tensión se usan conductores aislados,

para mayor seguridad en zonas urbanas.

Las líneas aéreas están constituidas tanto por el elemento conductor,

usualmente cables de cobre o aluminio, como por sus elementos de soporte,

las Torres de alta tensión, y los aisladores.

Transformador de potencia

Es una maquina estática, la cual mediante inducción electromagnética

transfiere la energía eléctrica de un punto del sistema conectado a la fuente

de energía, a otro conectado a la carga, variando generalmente, parámetros

de entrada (voltaje y corriente) para adaptarlos al centro de consumo( Ver

figura 7).

37

Page 38: Tesis

Figura 7: Transformador de Potencia. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

El transformador es un dispositivo que permite modificar potencia

eléctrica de corriente alterna con un determinado valor de tensión y corriente

en otra potencia de casi el mismo valor pero, generalmente con distintos

valores de tensión y corriente. Es una maquina estática de bajas perdidas y

tiene un uso muy extendido en los sistemas eléctricos de transmisión y

distribución de energía eléctrica.

Según www.educarchile.com un transformador es un dispositivo eléctrico

y electromagnético que aumenta o disminuye el voltaje y la intensidad de la

corriente alterna con la propiedad de que su producto permanece constante,

ya que la potencia que se entrega a la entrada de un transformador es igual

a la que se obtiene a la salida (transformador ideal sin pérdida).

Disyuntor o Interruptor de potencia

Es un equipo de potencia diseñado para abrir o cerrar uno o más

circuitos eléctricos, bajo condiciones normales de operación o de fallas (Ver

figura 8).

38

Page 39: Tesis

Figura 8: Disyuntor o Interruptor de Potencia. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

Los disyuntores de potencia son aparatos que tienen como función

primordial la protección contra cortocircuitos. Ellos también pueden proteger

contra sobrecargas. Para poder cumplir con la función de protección prevista

los disyuntores deben ser equipados con disparadores o relés, estos pasan a

formar parte del disyuntor y actúan directamente sobre el mecanismo de

apertura del mismo.

La operación de un disyuntor o interruptores puede ser manual o a su vez

accionada por la señal de un relé encargado de vigilar el adecuado

desempeño del sistema eléctrico, donde está conectado. Dichas señal puede

ser controlada a criterio del usuario.

Tipos de disyuntores

Es importante clasificar el tipo de disyuntores utilizados frecuentemente.

39

Page 40: Tesis

Según el tipo de extinción existen cinco (5) tipos:

1. Aceite:

a Pequeño volumen

b Gran volumen de aceite.

2. Aire comprimido.

3. Soplado magnético.

4. Vacío.

5. Hexafloruro de azufre (HF6).

Entre los interruptores automáticos de potencia más conocidos tenemos:

Interruptores de Aceite

Existen dos (2) tipos de interruptores de aceite: pequeño volumen de

aceite y gran volumen de aceite. En este tipo de equipos la extinción del arco

eléctrico se realiza en el seno del aceite dieléctrico, lo cual con el tiempo

obliga su reemplazo dada la contaminación severa con cada maniobra de

apertura.

Generalmente se construyen en tanques cilíndricos y pueden ser

monofásicos o trifásicos. Los trifásicos son para operar a tensiones

relativamente pequeñas y sus contactos se encuentran contenidos en un

recipiente común separados (aislantes).

Al saltar el arco eléctrico, se desprende un calor intenso que gasifica un

cierto volumen de aceite, ese gas a presión sopla al arco y además sube a la

parte superior del interruptor provocando una turbulencia en el aceite frio y

aislante, baña los contactos e impide que el arco se encienda nuevamente.

Las ventajas de este tipo de interruptor son su construcción sencilla, su

alta capacidad de ruptura, pueden usarse en operación manual y automática

y pueden conectarse transformadores de corriente en los bushings de

entrada. También trae consigo unas desventajas, posibilidad de incendio o

40

Page 41: Tesis

explosión, necesidad de inspección periódica de la calidad y cantidad de

aceite en el estanque, ocupa una gran cantidad de aceite mineral de alto

costo, no pueden usarse en interiores, no pueden emplearse en conexión

automática, los contactos requieren frecuentes cambios y son grandes y

pesados.

Interruptor en vacío

La interrupción de una corriente en un medio en donde se ha hecho un

alto grado de vacío tiene un fenómeno que el arco se comporta

sustancialmente diferente de la interrupción en otro medio liquido o gaseoso,

ya que de hecho falta la aportación del gas para la formación del canal

gaseoso que se ioniza fuertemente.

En su forma más simple un interruptor que trabaja con este principio de

funcionamiento está constituido por un recipiente de material aislante como

por ejemplo porcelana o vidrio en este recipiente se encuentran montados los

contactos fijos y móviles. El contacto móvil es controlado del exterior por

medio de una varilla aislante que se apoya en un dispositivo especial que

permite el movimiento. Si se supone que se quiere interrumpir una corriente

alterna de un valor relativamente pequeño; cuando un contacto se separa del

otro se encuentra potencial negativo en forma de un mecanismo del tipo

catódico que origina una pequeña descarga hacia el otro contacto que se

encuentra a potencial positivo y emite iones positivos bajo la forma de vapor

del electrodo del metal que constituye el electrodo mismo, ese vapor se

forma por efecto de la elevada temperatura en la superficie de la zona

interesada del contacto.

Al primer paso de la corriente por su cero el arco se extingue de tal

manera que la rigidez dieléctrica entre los contactos se restablece

rápidamente dada la escasez de partículas conductoras.

El interruptor de potencia en vacío se diferencia de otros por no requerir

de un medio de extinción. En contraposición a los arcos de maniobra en aire,

41

Page 42: Tesis

SF6 o aceite, en el vacío falta la materia térmica de los gases. Sin embargo,

después de la apertura de los contactos atravesados por una corriente, en el

vacío se genera un arco de vapor metálico.

El arco en vacío genera por sí mismo los portadores de carga necesarios

para transmitir la corriente a través del vacío mediante la vaporización del

material de los contactos.

El tiempo de operación de este interruptor es muy rápido por lo general

la corriente se anula a la primera pasada por cero; contiene una rigidez

dieléctrica entre los contactos la cual se restablece rápidamente impidiendo

la reedición del arco; son livianos y más baratos ya que la vida útil es mayor

a la de otros interruptores. La desventaja de este tipo de interruptor es la

dificultad para mantener la condición de vacío.

Interruptores de Hexafloruro de Azufre (SF6)

Las cámaras de extinción operan dentro de un gas llamado hexafloruro

de azufre (SF6) que tiene una capacidad dieléctrica superior a otros fluidos

dieléctricos conocidos. Esto hace más compactos y más durables los

interruptores desde el punto de vista de mantenimiento. Los interruptores con

este gas pueden librar las fallas hasta en dos (2) ciclos y para limitar las

sobretensiones altas producidas por esta velocidad, los contactos vienen con

resistencia limitadoras.

En los interruptores trifásicos, la apertura de los contactos es simultánea,

aunque conviene que exista dispersión en un milisegundo, entre los tres (3)

polos; se entiende por dispersión la diferencia en tiempo que existe entre el

instante del cierre del primero y el instante de cierre del último polo del

interruptor. El uso de la dispersión es importante, pues sirve para reducir las

sobretensiones debidas a impulsos por maniobra.

Interruptores de Aire Comprimido

42

Page 43: Tesis

Como medio de extinción, utilizan aire comprimido depositado en un

recipiente de acero, siendo el proceso de extinción independiente de la

energía del arco y, por tanto, de la corriente que debe interrumpirse. La

cámara de ruptura de estos interruptores puede ser de conducto metálico o

conducto en material aislante. En ambas, el arco se extiende al interior de

una tobera en forma de anillo y es rodeado por el aire comprimido, que fluye

a gran velocidad en dirección axial y transversal, normalmente es más

utilizada la tobera metálica.

Las características que definen a un interruptor son:

1. Voltaje nominal (kV).

2. Nivel básico de aislamiento al impulso (kVBIL).

3. Tipo de extinción del arco eléctrico.

4. Corriente nominal (A).

5. Corriente de tiempo corto (kA).

6. Carga interruptiva (kA).

7. Tiempo de interrupción (ciclos).

8. Mecanismo de operación.

9. Distancia de fuga (cm).

Según su mecanismo de accionamiento:

El mecanismo de accionamiento de un interruptor, se considera al

conjunto de elementos electromecánicos que permiten almacenar y disponer

de energía, útil para transmitir un movimiento, logrando posiciones finales de

los contactos de potencia, ya sea abiertos o cerrados dentro de valores de

tiempo de maniobre y de resistencia de contactos que favorezcan la

operación correcta del equipo.

Los mecanismos más conocidos son:

1. Mecanismo de Resorte.

2. Mecanismo Neumático.

43

Page 44: Tesis

3. Mecanismo Hidráulico.

4. Combinaciones entre ellos.

Según la ubicación de las Cámaras:

1. Tanque muerto, en este tipo de interruptores las cámaras de extinción

se encuentran auto retenidas en un recipientes que se encuentra

firmemente aterrizado, habiendo entre este último y aquellas un medio

aislante por ejemplo, interruptores de gran volumen de aceite. Los

cuales constan de transformadores de corriente integrados.

2. Tanque vivo, las cámaras se encuentran soportadas en columnas

aislantes y estas quedan separando la parte energizada del potencial,

brindando una mayor seguridad.

Seccionador

Es un equipo de maniobra diseñado solo para abrir o cerrar un circuito

eléctrico en condiciones donde no haya carga, estos deben ser capaces de

conducir las corrientes de cortocircuito sin sufrir deformaciones mientras

actúan los equipos de protección( Ver figura 9).

El seccionador eléctrico es un dispositivo mecánico capaz de mantener

aislada una instalación eléctrica de su red de alimentación según la norma.

Es un dispositivo de ruptura lenta, puesto que depende de la manipulación

de un operario. Este dispositivo por sus características, debe ser utilizado sin

carga o en vacío, es decir, el proceso de desconexión debe seguir

necesariamente este orden:

1. Desconexión del interruptor principal.

2. Desconexión del seccionador.

3. Colocación del candado de seguridad en la maneta del seccionador,

de esta forma evitamos que otro operario de forma involuntaria

conecte el circuito.

4. Colocación del cartel indicativo de avería eléctrica o similar.

5. Ahora y solamente ahora, podemos manipular la instalación afectada.

44

Page 45: Tesis

Para el proceso de conexión se procede de la forma inversa:

1. Conexión del seccionador.

2. Conexión del interruptor principal.

Este procedimiento no se puede intercambiar, pues en primer lugar se

correría un grave peligro y en segundo lugar el seccionador no actuaria

teóricamente por sus propias características constructivas.

Normalmente estará compuesto de:

a. De un bloque tripolar o tetrapolar de conexión, dependiendo si lleva

neutro o no.

b. Una maneta o dispositivo para manipulación manual(tipo cuchilla) con

una ranura del candado de seguridad.

c. Uno o dos contactos auxiliares para poderlo acompañar de un

contactor, en cuyo caso será encargado de conectar y desconectar el

seccionador.

45

Page 46: Tesis

L salta

Figura 9: Seccionador Tripolar 115 kV. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

Las características que definen a un seccionador son:

1. Voltaje nominal (kV).

2. Nivel básico de aislamiento al impulso (kVBIL).

3. Tipo.

4. Corriente nominal (A).

5. Corriente de tiempo corto (kA).

6. Mecanismo de operación.

7. Distancia de fuga (cm).

Servicios Auxiliares

Son todos aquellos equipos que permiten suministrar la energía

necesaria para el control, mando, señalización, protección, registro,

mediciones, entre otros; de los equipos de potencia, tanto en condiciones

46

Page 47: Tesis

normales de funcionamiento de la fuente de energía principal, como

condiciones de emergencia por desconexión o falla de la misma (Ver figura

10).

Se define como el conjunto de instalaciones formadas por las fuentes de

alimentación de corriente directa y de corriente alterna, de baja tensión, que

se utilizan para dar energía a: los sistemas de control, protección,

señalización, alarmas y alumbrado de una subestación, así como el sistema

contra incendio.

Los sistemas auxiliares de una instalación se pueden considerar

alimentados de la siguiente forma:

a. En corriente directa, por baterías.

b. En corriente alterna, por transformadores alimentados cada uno de

ellos por un banco de potencia distinto, o por un banco y un

alimentador que pueda tener regreso de otra subestación, a través de

la red de distribución.

Figura 10: Servicios Auxiliares. Fuente: patio de S/E Pedro Camejo.

Partes que conforman un sistema auxiliar

47

Page 48: Tesis

Los sistemas auxiliares pueden dividirse en los siguientes conjuntos de

partes y de sistemas:

a. Servicios de estación:

1. Transformadores.

2. Tableros.

3. Baterías.

4. Cargadores.

5. Planta de emergencia.

b. Alumbrado:

1. Tipos de luminarias.

2. Clases de alumbrados.

3. Distribución de gas.

c. Sistema contra incendio.

d. Aire acondicionado

La batería se utiliza para energizar:

1. Protecciones.

2. Lámparas piloto, aunque a veces se energizan con corriente alterna.

3. Registrador de eventos.

4. Circuito de transferencia de potenciales.

5. Sistema contra incendio.

6. Gabinete del equipo de onda portadora.

7. Control de los interruptores de alta y baja tensión.

8. Control de las cuchillas.

9. Alarmas.

10.Alumbrado de emergencia.

Cargadores

48

Page 49: Tesis

Son los dispositivos que mantienen las baterías al nivel de carga

nominal. Estos dispositivos son rectificadores estáticos, construidos con

tiristores y que regulan la tensión de flotación de la batería.

Para cada batería se utilizan dos cargadores, uno como sustituto del

otro. Los cargadores se instalan en un cuarto cercano al de baterías, para

protegerlos de los gases que desprenden éstas y evitar la posibilidad de una

explosión.

La capacidad de los cargadores debe poder mantener la carga de

flotación a tensión constante y al mismo tiempo suministrar el consumo de la

carga permanente de una manera eficiente. En el caso de que el cargador

esté suministrando la carga completa y simultáneamente aparezca un pico

de carga extra, la batería suministrará la diferencia de carga.

En el caso de una falla en la corriente alterna, en que la batería alimenta

todas las instalaciones de emergencia, más las suyas propias, al regresar

aquélla el cargador debe poder suministrar la demanda normal y recargar la

batería hasta el valor de flotación. La capacidad del cargador se selecciona a

base de obtener el periodo de carga rápida, en un tiempo máximo de 5

horas, en las condiciones más desfavorables.

Sistema de Protección

Un sistema de protección es un conjunto de dispositivos instalados de

manera estratégica sobre el sistema de potencia con la finalidad de

interrumpir en forma inmediata el suministro de energía cuando se presenten

fallas. Comúnmente se protege al sistema dividiéndolo en zonas de

protección a fin de que se desincorporen solamente los sectores afectados

por la falla dejando el resto del sistema de protección operativo.

Un proceso de protección puede resumirse en tres etapas:

1. Detectar corrientes y tensiones (medición).

49

Page 50: Tesis

2. Analizar si esos valores son o no perjudiciales al sistema (lógica).

3. Si son perjudiciales desconectar la parte de la falla en el menor

tiempo posible (acción).

Funcionamiento de las protecciones

Un sistema de protección está compuesto por un conjunto de equipos

como: Transformadores de corriente, transformadores de tensión, relé de

protección, entre otras, cuya función primordial es mantener una medición

permanente de los parámetros de la red para compararlos con los valores de

ajuste y establecer así una condición de falla, de manera que se pueda

ordenar la apertura de los interruptores asociados en un tiempo previamente

establecido, e informar mediante señales. Alarmas y registros la condición

anormal.

De esto se puede deducir que la función básica de una protección es

detectar una condición anormal en Líneas de Transmisión, Generadores,

Transformadores, entre otros, y actuar para despejar esta condición y así

disminuir los efectos que pueda traer en dichos equipos.

Fallas

Son todas aquellas condiciones anormales o adversas que interrumpen

el régimen permanente de transmisión de energía.

Tipos de fallas

Fallas entre fases:

1. Falla trifásica.

2. Falla Fase a Fase.

Fallas a tierra:

1. Fallas fase a tierra.

2. Fallas doble fase a tierra.

50

Page 51: Tesis

3. Trifásicas a tierra.

Causa por las cuales pueden ocurrir una falla

En un sistema eléctrico las fallas pueden ocurrir por algunas condiciones

que se identifican a continuación:

1. Sobretensiones o descargas atmosféricas. Esta es la causa principal

de fallas en líneas aérea.

2. Deterioro del aislamiento por sobretensiones, por recalentamiento, por

envejecimiento, por la acción de agentes químicos, por esfuerzos

mecánicos y cualquier otro factor.

3. Maniobras incorrectas o errores, como energizar una línea que esté

puesta a tierra o energizar una línea muy larga por un extremo, sin

tener cuenta el posible incremento de tensión en el extremo receptor

debido a la capacitancia de la línea.

4. Accidentes, como árboles que hacen contactos con líneas, animales

entre otros.

Detección e interrupción de fallas

Una falla se puede detectar por el cambio súbito que trae a los

parámetros del sistema de potencia. Los parámetros más utilizados con este

fin son:

1. Corriente

2. Voltaje

3. Angulo entre voltaje y corriente

4. Dirección de flujo de potencia

5. Impedancia

6. Frecuencia

7. Valores de variaciones de las cantidades anteriores.

51

Page 52: Tesis

Para poder utilizar los parámetros anteriores es necesario medirlos. Esta

medición se hace mediante transformadores de medida, los cuales

reproducen a escale reducida los voltajes y corrientes del sistema de

potencia. Estos valores reducidos se aplican a los relés que se encargan de

analizarlos y determinar si el sistema de potencia está operando

normalmente o, si por el contrario, ha ocurrido una falla. En la figura 11 se

explica en forma esquemática lo dicho anteriormente.

Figura 11: Diagrama de bloques de un sistema de protección. Fuente: AutoCAD.

Transformadores de Medida

El transformador es una maquina estática cuya función es transferir

energía eléctrica de un sistema a otro. Los de medida son destinado a la

alimentación de instrumentos de medida, contadores, relés de protección,

entre otros, permitiendo así una separación galvánica entres los instrumentos

y la red eléctrica de alta tensión.

Los aparatos de medida y los relés de protección no pueden soportar por

lo general, ni elevadas tensiones ni elevadas corrientes, ya que de lo

contrario, se encarecería sobremanera su construcción. Por otra parte es

conveniente evitar la presencia de elevadas tensiones en aquellos

dispositivos que van a estar al alcance de las personas.

52

Page 53: Tesis

Son éstas las principales razones para la utilización de los

transformadores de medida y protección, a través de los cuales se pueden

llevar señales de tensión y corriente, de un valor proporcional muy inferior al

valor nominal, a los dispositivos de medida y protección. Se consigue

además una separación galvánica de los elementos pertenecientes a los

cuadros de mando, medida y protección con las consiguientes ventajas en

cuanto a seguridad de las personas y del equipo se refiere.

Como las mediciones y el accionamiento delas protecciones se hallan

referidas, en última instancia, a la apreciación de tensión y corriente, se

dispone de dos tipos fundamentales de transformadores de medida y pro-

tección:

1. Transformadores de potencial (TP).

2. Trasformadores de corriente (TC).

Transformadores de potencial

Según Zapata José (2011), Son aparatos en donde la tensión

secundaria dentro de las condiciones normales de operación es

prácticamente proporcional a la tensión primaria, aunque un poco desfasada.

Su principal función es transformar la tensión y aislar los instrumentos de

protección y medición conectados a los circuitos de alta tensión. El primario

del transformador se conecta en paralelo al circuito por controlar y el

secundario en paralelo con las bobinas de tensión de los aparatos de

medición y protección (Ver figura 12).

Según Enrique Marcombo (1994), Un transformador de tensión es un

dispositivo destinado a la alimentación de aparatos de medición y /o

protección con tensiones proporcionales a las de la red en el punto en el cual

está conectado. El primario se conecta en paralelo con el circuito por

controlar y el secundario se conecta en paralelo con las bobinas de tensión

de los diferentes aparatos de medición y de protección que se requiere

energizar. Cada transformador de tensión tendrá, por lo tanto, terminales

53

Page 54: Tesis

primarios que se conectarán a un par de fases o a una fase y tierra, y

terminales secundarios a los cuales se conectarán aquellos aparatos. En

estos aparatos la tensión secundaria, dentro de las condiciones normales de

operación, es prácticamente proporcional a la tensión primaria, aunque

ligeramente desfasada.

Figura 11: Conexión de un Transformador de Potencial. Fuente: AutoCAD.

Desarrollan dos funciones: transformar la tensión y aislar los

instrumentos de protección y medición conectados a los circuitos de alta

tensión.

Los TP por lo general poseen uno (1) o dos (2) núcleos secundarios, y

pueden ser de dos (2) tipos:

1. De tipo inductivo, utilizado generalmente en voltajes de 13.8 y 34.5kV

donde tanto el primario como el secundario son devanados y aislados

entre sí.

2. De tipo capacitivo, comúnmente utilizado en tensiones iguales o

superiores a 115kV., en donde se hace un divisor de tensión con dos

capacitores en serie para reducir la tensión primara.

54

Page 55: Tesis

Transformador de Tensión Inductivo

Un Transformador de Tensión Inductivo (TT) consiste en un

arrollamiento primario y un arrollamiento secundario dispuestos sobre un

núcleo magnético común. Los terminales del arrollamiento primario se

conectan a un par de fases de la red, o a una fase y a tierra o neutro. Los

terminales del arrollamiento secundario se conectan a los aparatos de

medición y / o protección que constituyen la carga. La tensión primaria de un

TT es elegida de acuerdo a la tensión de la red a la cual está destinado. La

tensión nominal secundaria de un TT depende de la zona o país, así como

también el fabricante y el uso correspondiente, suelen tener una tensión

normalizada de 100 V o 110.El tamaño de los TT está fundamentalmente

determinado por la tensión del sistema y la aislación del arrollamiento

primario a menudo excede en volumen al arrollamiento mismo.

Un TT debe estar aislado para soportar sobretensiones, incluyendo

tensiones de impulso. Si se debe lograr eso con un diseño compacto, la

tensión debe estar distribuida uniformemente a través del arrollamiento, lo

cual requiere una distribución uniforme de la capacidad del arrollamiento o la

aplicación de apantallado electrostático. Un TT convencional tiene, en la

mayoría de los casos, un solo arrollamiento primario, cuya aislación presenta

grandes problemas para tensiones altas. Esos problemas son solucionados

con los TT en cascada repartiendo la tensión primaria en varias etapas

separadas.

En la figura 13 se muestra un corte esquemático de un TT monofásico.

55

Page 56: Tesis

Figura 13: Corte esquemático de un TT monofásico. Fuente: Enrique Marcombo (1994).

Partes del TT mostrado en la figura 13:

1. Borne terminal primario.

2. Fuelle metálico de expansión.

3. Tapón orificio llenado aceite.

4. Aislador de porcelana.

5. Caja de bornes secundarios.

6. Bornes secundarios.

7. Válvula drenaje aceite.

8. Terminal de tierra.

9. Placa de salida cables.

10.Ojales para izaje.

11. Indicador nivel de aceite.

12.Bushing interior.

13.Bobinados secundarios.

14.Bobinado primario.

15.Domo de aluminio.

56

Page 57: Tesis

16.Tanque metálico de Al.

17.Núcleo magnético.

Clasificación de los transformadores de tensión.

La clasificación principal de los transformadores de tensión se basa en el

destino o utilización del transformador distinguiéndose los siguientes tipos:

Transformadores de tensión para medida: Son los concebidos para

alimentar equipos de medida. Una de sus características fundamentales es

que deben ser exactos en las condiciones normales de servicio. El grado de

exactitud de un transformador de medida se mide por su clase o precisión, la

cual nos índica en tanto por ciento el máximo error que se comete en la

medida. La norma IEC específica que la clase o precisión debe mantenerse

cuando la tensión que se aplica en el arrollamiento primario se encuentre

comprendida en un rango que va del 80 al 120 % de la tensión primaria

nominal, asimismo también debe mantenerse dicha precisión cuando la

carga conectada al secundario del transformador esté comprendida entre el

25 y el 100 % de la carga nominal y con un factor de potencia de 0,8

inductivo. Las clases de precisión normales para los TT monofásicos para

medidas son: 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 3.0 (Ver cuadro 4).

Transformadores de tensión para protección: Son aquellos destinados a

alimentar relés de protección. Si un transformador va a estar destinado para

medida y protección, se construye normalmente con dos arrollamientos

secundarios, uno para medida y otro para protección, compartiendo el mismo

núcleo magnético, excepto que se desee una separación galvánica. Por esta

razón, en la norma IEC, se exige que los transformadores de protección

cumplan con la clase de precisión de los transformadores de medida.

Límites de error de tensión y de ángulo de fase.

57

Page 58: Tesis

El error de tensión y de desfasaje a la frecuencia nominal no debe

superar los valores de la tabla V de la IEC.

Cuadro 4: Clases de precisión de los Transformadores de Tensión

Clase de Precisión

Límites detención

Error de tensión %

Angulo de error en min

Angulo de error en cmrad

0,1 0,8 – 1,2 Un ±0,1 ±5 ±0,15 0,2 0,8 – 1,2 Un ±0,2 ±10 ±0,30 0,5 0,8 – 1,2 Un ±0,3 ±20 ±0,60 1,0 0,8 – 1,2 Un ±1 ±40 ±1,20 3,0 1 Un ±3 ---- ----Fuente: Norma IEC.

Transformadores de tensión capacitivos

Los transformadores de tensión vistos hasta ahora basan su

funcionamiento en la inducción de una tensión en bornes del arrollamiento

secundario a partir de un campo magnético variable generado por el

arrollamiento primario, es decir, son transformadores inductivos. Cuando se

ha de trabajar con tensiones nominales elevadas, suelen utilizarse

transformadores de tensión capacitivos. Estos transformadores se componen

básicamente de un divisor de tensión capacitivo consistente en varios

condensadores conectados en serie, contenidos dentro de aisladores huecos

de porcelana, con el fin de obtener una tensión intermedia. En este punto de

acceso a la tensión intermedia del divisor de tensión se conecta un

transformador de tensión intermedia, igual que uno inductivo, a través de una

inductancia que compensa la reactancia capacitiva del divisor. El

transformador puede tener 1, 2 o 3 secundarios de utilización según los

casos y modelos (Ver figura 14).

Este tipo de transformador se puede utilizar exactamente igual que un

transformador de tensión inductivo, con la salvedad de que en este caso se

presentan otros factores que afectan a la precisión del mismo, como por

ejemplo, variaciones de frecuencia, variaciones de temperatura y estabilidad

58

Page 59: Tesis

en el tiempo. La respuesta de un transformador de tensión capacitivo en

régimen transitorio no es tan rápida como la de un transformador inductivo,

por lo que no se recomienda su utilización cuando las exigencias de las

protecciones sean las de unas respuestas rápidas por parte del

transformador de tensión. Sin embargo, aparte de su utilización para medida

y protección, los transformadores de tensión permiten utilizar la línea de alta

tensión para comunicación y telemando dada su especial capacidad para la

sintonización de ondas portadoras de alta frecuencia.

Figura 14: Corte esquemático de un TP Capacitivo. Fuente: Enciclopedia CEAC.

Estos transformadores se fabrican para servicio interior o exterior, y al

igual que los de corriente, se fabrican con aislamientos de resinas sintéticas

para tensiones bajas o medias, mientras que para altas tensiones se utilizan

aislamientos de papel, aceite, porcelana o con gas SF6.

En la figura 15 se puede apreciar un esquema básico de un

transformador de tensión capacitivo: donde U1 es la tensión en el lado

59

1. Manómetro de presión de aceite.

2. Unidades condensadoras.

3. Aceite aislante.

4. Aislador de porcelana.

5. Sello.

6. Diafragma elástico para expansión

de aceite.

7. Tanque.

8. Circuito de amortiguamiento contra

efectos ferrorresonantes.

9. Transformador inductivo de media

tensión.

10. Caja de terminales secundarios, N

y terminales de alta frecuencia.

Page 60: Tesis

primario, Ui tensión intermedia, U2 tensión en el lado secundario, C1 y C2

condensadores del divisor de tensión, Li inductancia de compensación, TTi

transformador de tensión intermedia, y Z la impedancia que representa la

carga.

Figura 15: Esquema de un transformador de tensión capacitivo. Fuente: Enrique Marcombo (1994).

El transformador de tensión capacitivo estará compuesto de uno o varias

unidades capacitivas dependiendo del nivel de tensión donde prestara

servicio.

El aislador es fijado al tanque por medio de una brida metálica la cual es

adherida a la porcelana. Este tipo de montaje otorga una alta resistencia

mecánica a los esfuerzos de sismicidad. El aumento de tensión en el

transporte de energía hace que los niveles de aislamiento, seguridad y

características mecánicas sean cada vez más exigentes. Todo esto ha

conducido la búsqueda de nuevos modelos de transformadores que den una

respuesta adecuada a los problemas planteados.

En la figura 16 se observa un transformador de potencial ubicado en la

subestación Pedro Camejo.

Transformadores de corriente

60

Page 61: Tesis

Los transformadores de corriente (TC) se utilizan para tomar muestra de

corriente de la línea y reducirla a nivel seguro y medible, para las gamas

normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de

control. Los valores nominales de los transformadores de corrientes

primarias a corriente se definen como relaciones de corrientes primarias a

corrientes secundarias. Unas relaciones típicas de un transformador de

corriente podrían ser 600/5, 800/5,1000/5. Los valores nominales del

secundario de los transformadores de corriente son de 5A y 1A. (Ver figura

17). En algunos equipos, la señal de salida es de milivoltios (mV).

Figura 16: Transformador de Potencial. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

61

Page 62: Tesis

Figura 17: Transformador de Corriente. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

Según la enciclopedia CEAC, los trasformadores de medida de corriente

Son aparatos en que la corriente secundaria, dentro de las condiciones

normales de operación, es prácticamente proporcional a la corriente primaria,

aunque ligeramente desfasada. Desarrollan dos tipos de función: transformar

la corriente y aislar los instrumentos de protección y medición conectados a

los circuitos de alta tensión. El primario del transformador, que consta de

muy pocas espiras, se conecta en serie con el circuito cuya intensidad se

desea medir y el secundario se conecta en serie con las bobinas de corriente

de los aparatos de medición y de protección que requieran ser energizados.

Las espiras del arrollamiento primario suelen ser una o varias, las cuales se

pueden a su vez dividir en dos partes iguales y conectarse en serie o

paralelo para cambiar la relación, y atraviesan el núcleo magnético, cuya

forma suele ser cerrada tipo toroidal o puede tener un cierto entrehierro,

sobre el cual se arrollan las espiras del secundario de una forma uniforme,

consiguiendo así reducir al mínimo el flujo de dispersión. Este arrollamiento

62

Page 63: Tesis

es el que se encarga de alimentar los circuitos de intensidad de uno o varios

aparatos de medida conectados en serie. Se puede dar también la existencia

de varios arrollamientos secundarios en un mismo transformador, cada uno

sobre su circuito magnético, uno para medida y otro para protección. De esta

forma no existe influencia de un secundario sobre otro. Si el aparato tiene

varios circuitos magnéticos, se comporta como si fueran varios

transformadores diferentes. Un circuito se puede utilizar para mediciones que

requieren mayor precisión, y los demás se pueden utilizar para protección.

Por otro lado, conviene que las protecciones diferenciales de cables o

transformadores de potencia y de distancia se conecten a transformadores

de corriente independientes (Ver figura 18).

Los transformadores de corriente pueden ser de medición, de

protección, mixtos o combinados.

Figura 18: Conexión de un TC. Fuente AutoCAD.

63

Page 64: Tesis

Transformador de medición. Los transformadores cuya función es medir,

requieren reproducir fielmente la magnitud y el ángulo de fase de la corriente.

Su precisión debe garantizarse desde una pequeña fracción de corriente

nominal del orden del 10%, hasta un exceso de corriente del orden del 20%,

sobre el valor nominal.

Transformadores de protección. Los transformadores cuya función es

proteger un circuito, requieren conservar su fidelidad hasta un valor de veinte

veces la magnitud de la corriente nominal, cuando se trata de grandes redes

con altas corrientes puede ser necesario requerir treinta veces la corriente

nominal. En el caso de los relés de sobrecorriente, sólo importa la relación de

transformación, pero en otro tipo de relés, como pueden ser los de

impedancia, se requiere además de la relación de transformación, mantener

el error del ángulo de fase dentro de valores predeterminados.

Transformadores mixtos: en este caso, los transformadores se diseñan

para una combinación de los dos casos anteriores, un circuito con el núcleo

de alta precisión para los circuitos de medición y uno o dos circuitos más,

con sus núcleos adecuados, para los circuitos de protección.

Transformadores combinados: son aparatos que bajo una misma cubierta

albergan un transformador de corriente y otro de tensión. Se utilizan en

estaciones de intemperie fundamentalmente para reducir espacios.

Las normas ANSI definen la clase de precisión de acuerdo con los

siguientes valores: 0.1; 0.2; 0.3; 0.5; 0.6; 1.2; 3 y 5, cada clase de precisión

especificada debe asociarse con una o varias cargas nominales de precisión,

por ejemplo: 0.5 de precisión con una carga de 50 VA. Según el uso que se

dé al transformador, se recomiendan las siguientes precisiones,

considerando que a precisiones más bajas corresponden precios del

transformador más altos, para una misma tensión y relación de

64

Page 65: Tesis

transformación. Los transformadores para medición están diseñados para

que el núcleo se sature para valores relativamente bajos de sobrecorriente,

protegiendo de esta forma los instrumentos conectados al secundario del

transformador.

Los TC se utilizan conjuntamente con los amperímetros para la medida

de intensidad en alta tensión. Estos transformadores tienen un pequeño

número de espiras en el primario y el secundario está cerrado con los

aparatos de medida puestos en serie.

Identificación de bornes

Los bornes de los arrollamientos primario y secundario deben poder ser

identificados con fiabilidad. Para ello, en la norma IEC 60185 se indica el

criterio a seguir para su nomenclatura, siendo aquellos bornes que empiecen

con P y C los del arrollamiento primario, y los que empiecen con S los del

arrollamiento secundario. En la figura 19 se visualizan los diferentes casos.

1. Transformador de simple relación.

2. Transformador con toma intermedia en el secundario.

3. Transformador con dos secciones en el arrollamiento primario para su

conexión en serie o paralelo.

4. Transformador con dos arrollamientos secundarios y núcleos

independientes.

Figura 19: Identificación de bornes en TC. Fuente: Enrique Marcombo (1994).

65

Page 66: Tesis

Existen dos posibilidades de identificación de los bornes secundarios.

Todos los terminales identificados con P1, S1 y C1 deben tener la misma

polaridad en el mismo instante. Los bornes terminales deben marcarse o

identificarse clara e indeleblemente sobre su superficie o en su inmediata

vecindad. La identificación consiste de letras seguidas, o precedidas donde

fuera necesario, por números. Las letras deben ser siempre mayúsculas.

Los TC son únicamente del tipo inductivo y de acuerdo a su diseño

pueden:

1. Tener una o varias espiras en el primario que se conecta en serie con

el circuito cuya intensidad se desea medir.

2. Tener primarios que se componen de una, dos o cuatro secciones

permitiendo una, dos o tres intensidades primarias nominales

mediante el adecuado acoplamiento de las mismas.

3. Tener uno o varios arrollados secundarios bobinados cada uno sobre

si circuito magnético (o núcleo). De esta manera no existe influencia

de un secundario sobre el otro.

Detección de fallas

Una falla se puede detectar por el cambio brusco en los parámetros del

sistema. Los parámetros más utilizados para este fin son:

1 Corriente.

2 Voltaje.

3 Angula entre voltaje y corriente.

4 Sentido de flujo de potencia.

5 Impedancia.

6 Frecuencia.

7 Taza de variación de algunos de los parámetros anteriores.

66

Page 67: Tesis

Para poder utilizar los parámetros anteriores es necesario medirlos. Esta

medición se hace a través de los TP y TC, los cuales refieren a escala

reducida los voltajes y corrientes del sistema de potencia que son

introducidos en los relés de protección para analizarlos y ordenar la apertura

de los interruptores asociados en caso de estar en presencia de una falla.

Precisión

Tanto los TC como los TP poseen dos (2) tipos de núcleos:

1. Núcleo para Medición: La clase de precisión se designa como se

muestra en el cuadro 5.

Cuadro 5: Clases y Usos de los Transformadores de Medida

Clases Usos

Clase 0.1 Laboratorios.

Clase 0.2 Patrones portátiles y contadores de gran precisión.

Clase 0.5 Contadores normales y aparatos de medida.

Clase 1 Aparatos de cuadro (registradores).

Clase 3 Para uso sin precisión.

Fuente: Tomado del Trabajo de Grado de Gómez, F (2009).

Para el caso de los TC, éstos poseen un factor de seguridad el cual

guarda relación con la curva de saturación, la disposición constructiva de los

núcleos y el material magnético utilizado, teniéndose así que los núcleos

para Medición pierden la precisión a 1.2 x In (siendo In, la intensidad

nominal) y se saturan a 5 x In, con la finalidad de no dañar los instrumentos

con las elevadas corriente de fallas. Estos núcleos por lo general manejan

potencias elevadas del orden de 30 a 50 VA para los TC y de 100 a 150 VA

para los TP.

2. Núcleo para protección: La clase de precisión se designa de la

siguiente manera:

67

Page 68: Tesis

Clase 5P con un error de 1% a In y 5% al valor máximo de corriente

indicada, por ejemplo: 5P20; indica que existirá un error de 5% a 20xln.

Clase 10P con un error de 3% a In y 10% al valor máximo de corriente

indicado, por ejemplo:

10P20, indica que existirá un error de 10% a 20x1n. Estos núcleos

manejan potencias del orden 10 a 25 VA para los TC y de 50 a 150 VA

para los TP y garantizan la exactitud de las corrientes da fallas para los

relés de protección.

Fibra Óptica

Fibra o varilla de vidrio u otro material transparente con un índice de

refracción alto que se emplea para transmitir luz, cuando ésta entra por uno

de los extremos de la fibra, se transmite con muy pocas pérdidas incluso

aunque la fibra este curvada.

El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la

reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide

sobre la superficie extrema con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de

forma que toda la luz se refleja sin pérdida hacia el interior de la fibra. Así, la

luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para

evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de

la fibra. El núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con

un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la

superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.

Características de un Sistema de Protección

El diseño de un Sistema de Protección, depende de la configuración del

Sistema de Potencia; cualquiera que sea este Sistema de Protección debe

tener las siguientes características básicas:

1. Simplicidad: constituye otra de las características de los sistemas

68

Page 69: Tesis

de protección por relés y corresponde a una forma sencilla para

operar en cuanto a un diseño de protección.

2. Selectividad: Se dice, que un esquema de protección es selectivo,

cuando solo actúan los elementos necesarios para despejar una

falla, retirando únicamente la parte afectada.

3. Velocidad: Debe determinar con qué rapidez es necesario

despejar la falla y poseer velocidad adecuada para hacerlo.

4. Confiabilidad: Por cuanto las fallas que afecten al sistema se

presentan con relativa poca frecuencia, es necesario que su diseño

garantice que al presentarse una falla su operación sea correcta.

5. Seguridad: se refiere al grado de certeza en el cual un esquema de

protecciones no actuará bajo condiciones para las cuales no fue

diseñado.

6. Economía, cuando se diseña un sistema de protección lo primero

que se debe tener en cuenta es el costo de los elementos a

proteger. Mientras más elevado sea el costo de los elementos y la

configuración de la interconexión de estos sea más compleja, el

costo del sistema será de mayor magnitud.

Zonas de Protección

Cuando ocurre una falla en un sistema de potencia, sus efectos se

sienten en muchas partes a la vez; sería ilógico diseñar el sistema de

protección para ordenar la apertura de todos los interruptores donde se

detecten los efectos de la falla, lo ideal es que el despeje del cortocircuito

ocurra abriendo el mínimo número de interruptores. Esto último se logra

dividiendo el sistema de protección en porciones denominadas zonas de

protección.

Estas zonas están definidas por la ubicación de los transformadores de

corriente y por el tipo y calibración de los relés utilizados.

69

Page 70: Tesis

Las zonas de protección se suelen definir alrededor de generadores,

transformadores, barras y líneas, tal como se indica en la figura 20. Cuando

ocurre una falla dentro de una zona de protección determinada se ordena la

apertura solamente de los interruptores que queden dentro de la zona o que

están controlados por ella.

Por ejemplo, para la falla F1, se ordena la apertura del interruptor 1; para

la falla F2 también se ordena la apertura de ese interruptor; para la falla F3

se ordena la apertura de 1,2 y 3; para F4 se abren 3 y 4, y para F5 se abren

1, 2,3 y 4.

Se puede observar en la figura 20, que para la falla F5 se abren más

interruptores de los que son necesarios, esto se debe a que la falla ocurrió

en un punto donde están traslapadas las zonas Z5 y Z6. El traslapo de las

zonas se logra colocando transformadores de corriente en ambos lados de

los interruptores. Sim embargo, por razones económicas, es común colocar

estos transformadores a un solo lado, como en la figura 21; esto trae como

consecuencia que algunas fallas no pueden ser despejadas con la velocidad

deseada.

Figura 20: Zonas de proteccion. Fuente: AutoCAD.

70

Page 71: Tesis

En la figura 21, se puede ver que la operación de la zona Z2 (proteccion

de barras), no despeja la falla F1, porque continuaria alimentada desde a

subestacion B, ya que, debido a la ubicación de los transformadores de

corriente, dicha falla es externa en Z1. Si se hubieran colocado los

transformadores de corriente a ambos lados de los interruptores, como se

muestra en la figura 22, la falla F1, caeria en las zonas Z1 y Z2, y seria

despejada abriendo los interruptores 1 y 2.

Figura 21: Zonas de proteccion con traslapo. Fuente: AutoCAD.

Figura 22: Zonas de proteccion sin traslapo. Fuente: AutoCAD.

Tipos de Relés de Protección según su Tecnología

Relé Electromecánico

Son relés que trabajan directamente con magnitudes de tensión y

corriente a través de bobinas que impulsan partes móviles. (1930 a 1969).

Estos se pueden clasificar de acuerdo a su principio de operación en:

Atracción Electromagnética

Son los relés que utilizan como base de su operación principios

electromagnéticos, al igual que los contactores.

71

Page 72: Tesis

El tiempo de operación de este relé es de tipo instantáneo o acción

inmediata. En los relés de atracción de armadura las señales producen

campos magnéticos que son utilizados para mover una estructura. El

movimiento de la estructura abre o cierra los contactos del relé.

Pueden ser de dos (2) clases: Solenoide y Armadura.

En el relé de Solenoide utiliza un pivote donde la barra se mueve cuando

la fuerza electromagnética es mayor que la fuerza resistente del resorte, la

corriente supera la acción del resorte.

En el relé de Armadura se compara la acción del campo magnético de la

corriente para levantar un núcleo contra la acción de la gravedad, el relé

cierra su contacto cuando la acción de la corriente supera a la gravedad (ver

figura 23).

Figura 23: Relé de Atracción Electrónica. Fuente: Guzmán (2014).

Inducción Electromagnética

Pueden ser de dos (2) clases: De disco y de copa.

El relé de inducción del tipo disco, es de baja inercia, que opera bajo el

principio de los motores de polos de sombra o bobinas de sombra, en este se

compara el torque electromagnético con el torque producido por un resorte

72

Page 73: Tesis

en espiral, el relé cierra el contacto cuando el torque electromagnético

supera al del resorte y hace girar al disco.

En la figura 24 se ve un tipo de relé electromecánico de inducción con un

componente esencial llamado balancín.

El relé del tipo de copa, con construcción similar al motor bifásico de

control; la función de la copa del núcleo central fijo es reducir la inercia y

obtener relés de alta velocidad de respuesta. En estos relés se compara al

igual que en el anterior el torque electromagnético con el torque de un

resorte en espiral, el relé cierra el contacto cuando el torque

electromagnético supera al del resorte y hace girar la copa.

Relé Electrónico

Son relés que realizan evaluación de los parámetros eléctricos a través

de elementos de electrónica discreta (transistores, resistencias,

condensadores y algunos componentes integrados) convirtiendo las

magnitudes en señales de ondas cuadradas, que se compara con una

condición preestablecida.

Figura 24: Relé Tipo Balancín. Fuente: Guzmán (2014).

73

Page 74: Tesis

Son los Relés en donde los procesos se realizan por medio de

elementos electrónicos, estos tipo de relés representa la ventaja de que su

características de operación se puede modificar fácilmente, y por lo tanto, se

pueden obtener tiempos instantáneos o retardados e igualmente se pueden

obtener características inversas que se digan.

Relé Numérico

Dada la importancia que comienza a tener la aplicación de estos tipos de

relés numéricos y en razón de que incorporan la aplicación de una nueva

tecnología en el campo de la construcción de relés es interesante conocer

los principios básicos de operación de estos relés.

El relé numérico basa su operación en tomar lecturas secuenciales del

valor instantáneo de las señales originales almacenadas en su memoria para

posteriormente, procesarlas en un microprocesador.

En general los relés numéricos permiten una gran flexibilidad por cuanto

incluyen en su librería de programación las funciones de: Protección de

Distancia, Alta Impedancia, Sobrecorriente no direccional, Cierre Sobre Falla,

Sobre Voltaje, Oscilación de Potencia, Fuente Débil, Bloqueo por desbalance

de Tensión, entre otras, las cuales pueden ser activadas por el usuario o

solicitar al fabricante que la misma sea incluida en función a los

requerimientos y a futuro ira activando funciones de acuerdo a los

requerimientos del sistema. En líneas de transmisión con protecciones a

distancia, éstas protecciones también pueden incluir las funciones de

recierre, pero por confiabilidad no es usado sino que es instalado un relé

adicional.

Hardware

El hardware se refiere a los componentes materiales de un sistema

informático. La función de estos componentes suele dividirse en tres

categorías principales: entrada, salida, y almacenamiento. Los componentes

74

Page 75: Tesis

de esas categorías están conectados a través de un conjunto de cables o

circuitos llamado bus con la Unidad Central de Procesos (CPU, por sus

siglas en inglés) del ordenador, el microprocesador que controla la

computadora y le proporciona capacidad de cálculo.

En los relés de protección con respecto al hardware podemos identificar:

1. Unidad de transformadores de entrada.

2. Unidad de conversión analógico-digital.

3. Unidades de entrada-salida binarias.

4. Unidad de alimentación.

5. Unidad de procesamiento.

6. Unidad de conexión.

7. Caja y terminales para señales analógicas.

8. Conectores para señales binarias.

Software

El soporte lógico o software es el conjunto de instrucciones o programas

responsables de que el hardware realice sus funciones. Estos programas

suelen almacenarse y transferirse al CPU a través del hardware. El software

también rige la forma como se utiliza el hardware, como por ejemplo la forma

de recuperar información de un dispositivo de almacenamiento.

Bus

Conjunto de líneas conductoras de hardware utilizadas para transmisión

de datos entre los componentes de un sistema informático. Un bus es en

esencia la ruta compartida que conecta diferentes partes del sistema, como

el microprocesador, las unidades de entrada y salida, la memoria y los

puertos de estrada-salida, para permitir la transmisión de información. El bus

por lo general supervisado por el microprocesador, se encarga del transporte

de diferentes tipos de información.

75

Page 76: Tesis

Tipos de relés de protección según su función

En las subestaciones existen una variada gama de protecciones que

tienen una determinada función y en su conjunto conforman un esquema de

protección que dependerá del equipo a proteger. Estos esquemas de

protección van desde los niveles de tensión de 13.8 kV hasta 765 kV para

proteger equipos tales como: autotransformadores, transformadores,

generadores, capacitores en paralelo o serie, líneas de transmisión, barras y

reactores.

Estos se clasifican en:

Relé de Sobrecorriente

Los relé de sobrecorriente son dispositivos de protección los cuales

actúan cuando Ia corriente que miden sobre pasa cierto valor, este valor

mínimo de operación es llamado "valor umbral"(pick up) y es ajustable

externamente dependiendo de la sobrecorriente que se desea detectar.

Existen en el mercado diferentes tipos de relés de sobrecorriente, la

diferencia la constituyen básicamente su característica tiempo-corriente:

1. Relés instantáneos: Los relés instantáneos cierran su contacto de

operación inmediatamente después de medir un valor de corriente

superior a su valor umbral (el tiempo de operación es tan pequeño como

lo permita el límite físico del diseño que se utilice). Puede ser una unidad

electromecánica tipo embolo o armadura, en las cuales el valor mínima

de fuerza que hay que ejercer sobre Ia pieza (embolo o armadura) que

tiene acoplado el contacto móvil, sometida a la fuerza de un resorte que

Ia sujeta, al vencer la fuerza mecánica del resorte se logran cerrar o abrir

los contactos.

En términos matemáticos se puede decir que el relé opera cuando se

cumple:

76

Page 77: Tesis

Ecuación 1

O sea:

Ecuación 2

Donde kr es la fuerza restrictiva del resorte y K I2 es la fuerza de

operación provocada por la corriente en la bobina. Como puede inferirse de

la ecuación anterior, el valor mínimo de operación del relé “Iu” vale:

Ecuación 3

Este valor se puede ajustar aumentando o disminuyendo la tensión que

el resorte ejerce sobre la pieza móvil, y el rango de variación depende del

diseño del conjunto completo.

2. Relés temporizados: Estos relés se utilizan cuando se requiere una

temporización intencional en Ia operación. Dentro de esta categoría de

relés existen dos (2) tipos: los de tiempo definido, los cuales operan en un

tiempo preestablecido para cualquier corriente superior al valor umbral y

los de tiempo inverso, cuyo tiempo de operación disminuye rápidamente

con un aumento de Ia sobrecorriente detectada; es decir el tiempo de

actuación es inversamente proporcional al módulo de la corriente de falla.

77

K I2>K r

I>√ K rK

I=√ K r

K

Page 78: Tesis

a. Relé temporizado de tiempo definido: pueden ser construidos con una

unidad de sobrecorriente instantánea y un mecanismo temporizado

(relojería). En este diseño la sobrecorriente es detectada por la unidad

instantánea, la cual da una orden de arranque al mecanismo de

relojería el cual ha sido ajustado para dar una orden de cierre de

contacto un tiempo después que ha recibido la orden de la unidad

instantánea.

b. Relé temporizado de tiempo inverso: en su versión electromecánica,

los relés de sobrecorriente de tiempo inverso son del tipo de

inducción. El principio de operación de una unidad de disco de

inducción, se basa en que la corriente inyectada al relé provoca la

aparición de un flujo en el núcleo, el cual es separado en el entrehierro

en dos flujos, cada uno de los cuales atraviesa dos secciones del

núcleo llamadas polos. Estos flujos tienen un desfasaje en el tiempo,

debido a que uno de los polos se encuentra sombreado, es decir,

posee un arrollado cortocircuitado llamado bobina de sombra. En

muchos casos la bobina de sombra no es una bobina como tal sino un

conjunto de anillos que bordean al polo y hacen el mismo efecto que

la bobina. Los dos flujos atraviesan al disco de aluminio en un pinto

determinado, a una distancia tal del punto central del disco, donde

este último pivotea en un eje. Acoplado a este eje está el contacto

móvil del relé y se encuentra un resorte soldado el cual tienen el

efecto de tirar del disco en una dirección determinada.

Relé de Sobrecorriente de Alto Ajuste

Es usado generalmente en sistemas eléctricos donde se requieren

limitar las corrientes de salidas de estos de acuerdo con valores de ajuste

preestablecidos. Tiene aplicaciones en salidas de líneas aéreas de

transmisión de 115 a 400 kV como protección secundaria. La función

primordial es la medición continua de la corriente de una salida de línea

78

Page 79: Tesis

verificando y comparando de acuerdo a los ajustes la condición de muy

elevadas corrientes, dando orden de apertura al o los interruptores

asociados.

Relé de Sobrecorriente Direccional

Se denomina protección direccional de sobre corriente a aquella que

responde al valor de la corriente y a la dirección de la potencia de

cortocircuito en el punto de ubicación. La protección opera si la corriente

sobrepasa el valor de arranque y la dirección de la potencia coincide con la

correspondiente a un cortocircuito en la zona protegida. Se compone de una

protección de sobrecorriente con selectividad relativa, completa con una

muestra de medición que determina la direccionalidad de la potencia de

cortocircuito que el denominado relevador direccional. La protección

direccional de sobrecorriente es aplicable en redes con alimentación bilateral

o en lazo, tanto para cortocircuito entre fases, como a tierra (Ver figura 25).

Figura 25: Conexión Relé Sobrecorriente. Fuente: Matos (2012).

En un sistema de corriente alterna (C.A.), la corriente, es una magnitud

cuya dirección sólo puede ser determinada en relación a otra; se puede

79

Page 80: Tesis

solamente afirmar que dos corrientes tienen o no la misma dirección. Es

decir, la corriente no tiene una dirección absoluta. La potencia, en cambio,

especialmente la potencia activa, es una magnitud cuya dirección es posible

determinar en forma absoluta, aunque como magnitud de medida para un

sistema de protección contra cortocircuitos no presenta mayores ventajas

que la corriente y su aplicación, por otra parte, introduciría enormes

complicaciones. Sin embargo, esta propiedad de la potencia activa permite

su aplicación como otro medio de selección en un sistema escalonado de

protecciones, agregado a otras magnitudes y aisladamente en un sistema de

protección por comparación. Un sistema escalonado de protecciones basado

en la medida de potencia operará solamente para una determinada dirección

de ella y evitará la operación del equipo de desconexión cuando ella fluya en

la dirección opuesta (Ver figura 26).

Las protecciones direccionales se pueden catalogar como un tipo

particular de las protecciones de Sobrecorriente, porque al igual que estas,

reaccionan a un valor prefijado de corriente, pero actúan cuando la potencia

de falla circula en un sentido determinado (el sentido positivo de operación,

en la protección de líneas, es de la barra a la línea donde está conectada la

protección).

Las protecciones direccionales constan de órganos de medida (de

corriente o de potencia), relés de tiempo y relés auxiliares, todos los cuales

deben actuar para que el Interruptor opere. De los componentes, el que

tipifica la protección es el órgano de medida direccional de potencia que

generalmente es un relé, y se conecta de manera que responda únicamente

en caso que la potencia, circule en el sentido prefijado anteriormente.

El relé direccional de potencia es alimentado a través de

transformadores de corriente y potencial y se conecta de manera que

responda solo a un sentido de la potencia de cortocircuito.

80

Page 81: Tesis

Figura 26: Clase de Sobrecorriente según Cantidad Actuante. Fuente: Matos (2012).

Los relés direccionales deben ser alimentados por dos cantidades

eléctricas distintas, propias del sistema que se pretende proteger, una de las

cuales se toma como referencia. De acuerdo a las magnitudes necesarias

para su alimentación los relés pueden ser:

1 Corriente- Corriente.

2 Voltaje- Voltaje.

3 Voltaje - Corriente.

El último es el más utilizado y se le conoce como relé direccional de

potencia.

De acuerdo a sus principios constructivos, puede ser clasificado como:

1. Electromecánicos. Se subdividen en:

a. Electromagnéticos.

b. Inductivos.

c. Ferroelectrodinámicos.

d. Inductivo - dinámicos.

2. Estáticos

81

Page 82: Tesis

Tanto los relés estáticos como los electromecánicos (que tienen principio

de operación electromagnético) comparan valores absolutos de las

cantidades actuantes, los demás comparan las fases de las magnitudes

eléctricas.

En la figura 27 se muestra la conexión de un relé sobrecorriente con

todos los elementos.

Figura 27: Conexión de un Relé Sobrecorriente. Fuente: Matos (2012).

Relé de hilo piloto

Estos tipos de relés proporcionan rápida protección a bajo costo,

además son insensibles a las variaciones de potencia y en relación a su

relativa simplicidad y confiabilidad pueden ser una buena opción de

protección. El sistema de Hilo Piloto consiste de un par de hilos instalados en

una línea aérea o cable subterráneo, para fines de transmisión de señales

requeridas por el sistema como son las corrientes, tensiones, valores de

fase, o algún otro. Un inconveniente de tal sistema es el hecho de estar

expuesto a la permanente interferencia de la línea de transmisión, aspecto

que se tiene un efecto más crítico durante las fallas, por la presencia de

inducción en los hilos.

82

Page 83: Tesis

Otras limitaciones de dicho son la longitud de los hilos piloto, así como el

crecimiento de la resistencia de la línea visto por la protección por la adición

de los hilos mencionados, dando predisposición a circuito abierto y la

capacitancia en paralelo como un circuito pequeño de corriente alterna a

través de los pilotos. La protección esta provista de valores limitantes para

cada una de estas cantidades y cuando estas se vean excedidas, podrá dar

lugar a malas operaciones por fallas externas y perdidas de sensibilidad en

caso de falla interna. La intensidad de corriente por una falla externa a tierra

usualmente no será la misma, razón por la cual la protección deberá ser

lineal para corrientes que excedan el valor de máxima corriente de

circulación de falla. El efecto inmediato durante las condiciones de falla se

presenta en los pilotos en el nivel de voltaje no se puede mantener bajo y

serán necesarios hilos piloto con grado de aislamiento elevado.

Actualmente con la finalidad de evitar los efectos de interferencia y

efectos de inducción, las complicaciones asociadas al empleo de un camino

diferente para los hilos pilotos o la transmisión en señales moduladas en alta

frecuencia, la opción más sencilla es el empleo de la fibra óptica como canal

de comunicación.

Los relés por hilo piloto son tradicionalmente utilizados en aplicación de

líneas cortas, por su fácil aplicación y tener una ventaja adicional al no

necesitar voltaje de la fuente.

Para los esquemas pilotos una solución al problema de subalcance

podría ser el colocar los elementos de distancia en sobrealcance más allá de

los terminales remotos. Esto podría mejorar la cantidad de operación,

mejorar la confiabilidad y la velocidad sobre los esquemas basados en

impedancia.

Ninguno de los esquemas propuestos para los elementos de distancia

para líneas cortas son ajustados a menos que la impedancia de la línea es

por ello que al utilizar esquemas pilotos los problemas de coordinación con

los elementos adyacentes no sería un problema, ni la consideración del

83

Page 84: Tesis

ajuste que restrinja la capacidad de transferir carga disponiendo a los

elementos de distancia capacidad suficiente de manejar resistencias de arco

e impedancias de fallas que comparadas con la línea pueden ser bastante

considerables.

Relé Diferencial

El relé diferencial es un dispositivo cuya función es la desconexión

eléctrica de una red o equipo de potencia, cuando ocurre una falla en

cualquiera de las fases; siempre y cuando este dentro de la zona de

protección. El relé diferencial se activa al detectar una diferencia de corriente

la cual se denota Id, y actúa si supera el valor de ajuste, denominado umbral

de sensibilidad, y se denota Is (Ver figura 28).

La protección diferencial está basada en la primera ley de Kirchhoff, la

cual dice: "En todo nodo de conductores, la suma de las intensidades que a

él llegan, es igual a la suma de las intensidades que de él salen". Esto hace

que cuando se produce la derivación a tierra de una fase, exista un

desequilibrio entre la suma geométrica o fasorial de las intensidades de la

red; este desequilibrio es precisamente la corriente diferencial (Id), la cual es

detectada por el relé diferencial, lo que provoca la desconexión de la red.

Tiene la función de detectar la corriente de defecto de una línea por

comparación de las corrientes de sus dos extremos captadas por medio de

transformadores de intensidad, utilizando el principio de que todas las

corrientes que entran tienen que ser igual o proporcionales a las corrientes

que salen.

Una protección diferencial está basado en la comparación de corrientes

que entran y salen de un equipo, de tal manera que si por alguna causa

(anormalidad), la proporción o relación entre ambas corrientes varia, la

protección opera produciendo la apertura de los interruptores y aislando, de

esta moto el equipo protegido.

84

Page 85: Tesis

La comparación entre las corrientes se efectúa haciendo uso de

trasformadores de corriente, de relación de transformación adecuada y de un

elemento detecto diferencial que consiste, por lo general, de un relé de

sobrecorriente, tipo disco de inducción (Ver figura 29).

Figura 28: Conexión de un Relé Diferencial. Fuente: Cimadevilla (2010).

La aplicación de protección diferencial está limitada por la distancia de

ambos juegos de transformadores de corriente debido a que le largo de los

cables de control por los que circulan las corrientes de información, aumenta

la carga de dichos transformadores. Por estas razones, y por motivos

prácticos y económicos esta protección tiene aplicación de máquinas

sincrónicas y asíncronas, transformadores de potencia, barras de

subestaciones y líneas cortas de transmisión.

La protección diferencial se usa para proteger equipos contra fallas

internas de estos. Por lo tanto, no actúa para fallas fuera del equipo, ya que

estas serán despejadas por otras protecciones destinadas a tales fines.

Relé Diferencial de Porcentaje

La protección diferencial es inherente, selectiva y en consecuencia no

debe ser afectada por fallas o perturbaciones ocurridas fuera del equipo o

zona de protegida. Sin embargo, al ocurrir fallas externas que produzcan

85

Page 86: Tesis

elevados valores de corriente de cortocircuito es equilibrando el sistema de

protección, se generan corrientes diferenciales debido a que los TT/CC a

pesar de ser iguales no tienen exactamente la misma relación de corriente y

además aun teniéndola, las cargas que alimentan quedan alteradas debido a

la falla.

Lo anterior ha llevado al uso de las protecciones diferenciales

insensibilizadas, es decir, a protecciones diferenciales que operen solamente

cuando la corriente diferencial supere un porcentaje dado de la corriente por

fase. Este tipo de protección diferencial se denomina protección diferencial

de porcentaje.

Figura 29: Diagrama de un Relé Diferencial. Fuente: Blogger (2011).

Esta protección utiliza relés cuyos elementos de medida compara la

corriente de entrada con la de salida, de manera tal que cuando la corriente

diferencial iguala o supera un porcentaje dado la corriente mayor, se produce

la operación.

Protección Diferencial de Barra

86

Page 87: Tesis

La protección diferencial de barras reúne las corrientes de todas las

líneas que llegan o salen de la barra, de modo que la suma instantánea de

ellas es siempre igual a cero, en condiciones normales, tanto en términos

primarios como segundarios. En el caso de ocurrir una falla en la barra se

romperá el equilibrio y el relé dará orden de abrir a todos los interruptores de

ésta (Ver figura 30).

Figura 30: Ejemplo de Protección de Barra. Fuente: Pérez (1995).

Protección de Transformadores con Relé Diferencial

En principio esta protección se base en la comparación de la corriente

entre el lado de la tensión superior y el la lado de la tensión inferior del

transformador. Si consideramos idealmente, al transformador como punto de

intersección, la suma de todas las corrientes entrantes tienen que ser igual a

la suma de las corrientes salientes. En funcionamiento normal o también en

caso de cortocircuito fuera de la zona de protección, las corrientes

secundarias del transformador en el circuito de corriente diferencial se

diferencian unas de otras de forma importante. El hecho de producirse una

87

Page 88: Tesis

corriente diferencial, permite deducir entonces la existencia de una falla

interna (Ver figura 31).

Figura 31: Protección Diferencial de un Transformador. Fuente: Riaño (2007).

En la práctica, debido a problemas de las más diversas causas, hay que

adoptar medidas de estabilización y adaptación con el fin de garantizar un

correcto funcionamiento de la protección diferencial del transformador:

1. Debido a la presencia de corrientes de distinta magnitud en el lado

primario y del secundario del transformador, hay que utilizar transfor-

madores con diferentes relaciones de transformación.

2. Hay que tomar en consideración los giros de fase entre el lado

primario y del secundario originados como consecuencia de los

grupos

de interruptores del transformador.

3. Los procesos de conmutación producidos en la red tienen que ser

reconocidos como tales.

4. Las corrientes de conexión no deben dar lugar a un disparo del

aparato.

Relé de Distancia

88

Page 89: Tesis

A medida que las redes eléctricas aumentan de tamaño y se vuelven

más complejos, los esquemas de protección contra sobrecorrientes con

escalonamiento de tiempo resultan inadecuados, debido a que los ajustes de

tiempo son demasiados altos para los relés que quedaron en los últimos

escalones, lo que traería tiempos excesivos en la desconexión de fallas que

se presentaran en ciertos puntos de la red lo que desde un punto de

estabilidad en los sistema de potencia podría conducir a problemas de

sincronismo en máquinas p en instalaciones de baja tensión o tipo industrial,

el interrumpir fallas lejanas con tiempos altos pueden provocar

sobrecalentamiento perjudiciales a máquinas y aparatos eléctricos.

También se puede decir que cuando ocurre un cortocircuito que no se

interrumpe con rapidez la duración de la caída de tensión provocada por una

falla puede traer consecuencias severas para los usuarios del servicio

eléctrico.

Debido a lo anterior se diseñaron y construyeron los relés de distancia

cuyo principio de operación es tal que su tiempo de funcionamiento es

proporcional a la distancia en que se produce la falla de manera tal que para

un cortocircuito en algún punto de la red, los relés que están más cerca a la

falla operan primero que aquellos que se encuentran más alejados.

La protección de distancia ofrece ventajas en la protección de líneas de

transmisión de mediana y alta tensión proporcionando automáticamente

protección de respaldo a las secciones adyacentes obteniéndose selectividad

por medio de características direccionales de los propios relés.

Las Protecciones de distancia son usadas en sistemas mallados de

transmisión y distribución que son alimentados desde varios puntos. También

se suelen utilizar como respaldo de autotransformadores.

El método más fácil midiendo para determinar fallas en una línea es la

midiendo la impedancia desde el punto donde hay un relé hasta donde

ocurrió la falla.

89

Page 90: Tesis

La impedancia medida es proporcional a la distancia entre el relé y el

punto de falla, de aquí que los relés que midan impedancia se denominan

relé de distancia y esto lo hacen chequeando constantemente los parámetros

de tensión y corriente.

Figura 32: Característica de Operación Cuadrilateral. Fuente: Siemens (2006).

Principio de operación de los relés de distancia

El principio de operación de los relés de distancia se basa en la relación

o cociente entre el voltaje y la corriente, en el punto de ubicación del relé de

tal manera que al aumentar esta relación, aumenta el tiempo de operación

del relé. Es decir que el tiempo de operación funcionamiento del relé es

proporcional al cociente:

Ecuación 4

Es decir desde la impedancia de la línea hasta el punto de la falla, y

como para una línea de trasmisión dada la impedancia es proporcional a la

distancia, se le ha dado el nombre de relé de distancia.

90

Z=VI

Page 91: Tesis

Alcance

Es la cobertura en distancia o el valor de impedancia que debe cubrir un

relé, desde el sitio donde está ubicado hasta otro donde se desea detectar

una falla; es como si físicamente se llegara a un lugar en específico.

Etapas

Son los diferentes bloques lógicos (tiempo y/o impedancia) que posee

un relé para ubicar fallas. Se caracteriza porque presentan ajustes separados

para el alcance y el tiempo, además pueden tener de dos a cuatro escalones

o más con sus respectivas curvas características.

Figura 33: Características de Operación Mho. Fuente: Siemens (2006).

Protección Primaria

Es el dispositivo de protección que se selecciona con un número de

funciones y características de respuesta mayores a otras de protección

involucradas con estas.

Los relés de protección primaria son aquellos que deben operar tan

pronto como ocurre una falla, ordenando la apertura del mínimo números de

interruptores en el menor tiempo posibles.

Para la falla F1, mostrada en la figura 34, deben abrirse en protección

primaria, los interruptores 3 y 4, y para la falla F2, deben abrirse los

91

Page 92: Tesis

interruptores 5 y 6. Sim embargo, hay veces que el interruptor no se abre y

en este caso la falla tiene que ser despejada abriendo otros interruptores.

Considerando nuevamente la falla F2 se observa que si el interruptor 5 no se

abre, la falla tiene que ser despejada abriendo los interruptores 4, 7 y 8 o los

interruptores 3 y 9. Se dice en este caso que la falla ha sido despejada en

protección de respaldo. Si la falla es despejada abriendo 4, 7 y 8 la

protección de respaldo se denomina local porque el respaldo está dado por

interruptores localizados en la misma subestación donde está ubicado el

interruptor que no opero. Si la falla es despejada abriendo 3 y 9 la protección

de respaldo se denomina remota porque el respaldo está dado por

interruptores localizados en subestaciones remotas. El término remotas tiene

un significado relativo y se utiliza para indicar subestaciones con conexiones

directas, es decir, sin S/E intermedias, a la subestación donde está el

interruptor que no abrió. La tendencia actual es utilizar protección de

respaldo local en sistemas de alta y extra alta tensión, y utilizar protección

remota en sistema de distribución o en sistemas de poca importancia; la

razón de esto es que la protección de respaldo local es más rápida y más

selectiva que la remota como puede verse en la figura 35.

Figura 34: Protección principal y respaldo. Fuente: AutoCAD.

La falla F debería despejarse abriendo 6 y 7. Si 7 abre normalmente

pero 6 no puede despejar la falla, quedaría desenergizada la S/E A al abrir

92

Page 93: Tesis

en protección de respaldo remoto 1, 2 y 9. Por el contrario, si el respaldo es

local bastaría con abrir 3 y 4, y la mitad de la S/E permanecería energizada.

Lo ideal seria despejar cualquiera falla en protección principal porque se

desconecta, a al mayor velocidad posible, una porción mínima del sistema de

potencia. La protección de respaldo es lenta (temporizada) y desconecta una

porción mayor del sistema de potencia que la protección principal. Sin

embargo, hay muchas causas que pueden hacer que un cortocircuito no

puede ser despejado en protección principal y, por lo tanto, se necesita tener

una segunda línea de defensa. Algunas de estas causas son:

a. Desperfectos de los relés o error en su diseño.

b. Avería en el mecanismo de apertura de un interruptor.

c. Avería en el interruptor propiamente dicho. El interruptor abre pero es

incapaz de interrumpir la corriente de cortocircuito.

d. Falta de continuidad en is circuitos de control.

e. Falta de continuidad de los transformadores de medida a los relés.

Figura 35: Protección principal y respaldo. Fuente: AutoCAD.

Relé de Potencia Inversa

Es usado generalmente en circuitos donde se desea interrumpir el flujo

de energía eléctrica en una dirección no deseada. Tiene su aplicación

principal en subestaciones de interconexión y en generadores.

93

Page 94: Tesis

La función primordial es la medición permanente de corriente y tensión

de un circuito en particular, para comparar la dirección del flujo de energía

con los valores de ajuste preestablecidos a fin de ordenar la apertura de los

equipos involucrados en caso de la inversión del flujo en la dirección no

deseada.

Relé de Frecuencia

Es usado en sistemas eléctricos donde se requiere separarlos de otros

cuando ocurren variaciones de frecuencia. Tiene varias aplicaciones tales

como: actuar como elemento de desconexión de carga en subestaciones de

13.8 y 34.5 kV, y separación de sistemas eléctricos interconectados.

La función principal es la medición permanente de la frecuencia a través

de la tensión de un circuito en particular, para compararla con los valores de

ajuste y establecer la existencia de una condición baja o alta frecuencia,

ordenando la apertura de los interruptores asociados al sistema, logrando así

mantener el sistema protegido de cualquier oscilación o cambio de

frecuencia.

Relé Supervisor del Circuito de Apertura

Es usado en esquemas donde se requiere la vigilancia del circuito de

apertura de los interruptores. Tiene como aplicación específica supervisar los

circuitos de apertura de los interruptores en niveles desde 13.8 a 400 kV y su

función es verificar e informar el seccionamiento o daño de los circuitos de

apertura, incluyendo en este: la barra, el camino y bobina de disparo de los

interruptores.

Corrientes de Cortocircuito

Un cortocircuito es un fenómeno eléctrico que ocurre cuando dos (2) o

más puntos entre los cuales existen una diferencia de potencial se ponen en

contacto entre sí, caracterizándose por elevadas corrientes circulantes hasta

94

Page 95: Tesis

el punto de falla. El proceso que ocurre en el sistema de potencia al

producirse una falla causada por un cortocircuito es esencialmente de

carácter transitorio.

Es importante acotar, que aun cuando se diseñe muy cuidadosamente

un sistema de potencia, este estará siempre expuesto al daño que pueda

causar el flujo de corriente en condiciones de cortocircuito tales como sobre

calentamiento y arcos eléctricos destructivos.

Los tipos más frecuentes de cortocircuitos son:

a. Trifásicos: Cuando las tres (3) fases están unidas en el mismo punto

del sistema es el que produce los daños más severos.

b. Bifásicos: Entran en contacto dos (2) fases del sistema.

c. Monofásico: También conocido como fase-neutro, al unirse una línea

con el neutro del sistema.

En la figura 36 se muestra un esquema de los tipos de cortocircuitos.

Para asegurar que los equipos de protección puedan aislar las fallas

rápidamente, minimizar el daño de cada uno de los componentes del sistema

de potencia y el riesgo del personal, el estudio de corrientes de cortocircuito

deben ser incluidos en el diseño de los sistemas de potencia. De igual forma

cuando se hagan modificaciones a los sistemas existentes.

95

Page 96: Tesis

Figura 33: Tipos de Cortocircuitos. Fuente: Tuveras (2007).

Protección Contra Cortocircuito

Tanto en Media Tensión (MT) como en Alta Tensión (AT), pueden

utilizarse los dispositivos de protección automáticos de potencia como se

nombró anteriormente.

Fusibles

El fusible es la protección más antigua en las instalaciones eléctricas, y

no son más que una sección de hilo más fino que los conductores normales,

colocado en la entrada del circuito a proteger, para que al aumentar la

corriente, sea la parte que más se caliente, y por tanto primera en fundirse

(Ver Figura 37). Una vez interrumpida la corriente, el resto del circuito ya no

sufre daño alguno.

96

Page 97: Tesis

Figura 37: Ubicaci6n del Fusible. Fuentes: Gómez (2009).

En general, los fusibles se aplican especialmente en el sector industrial,

en la protección de transformadores de potencial, de distribución o de

potencias reducidas y ocasionalmente, en protección de ramales. A menudo

el fusible puede montarse como seccionador y en algunos casos tiene

mecanismos automáticos.

Las características de un fusible varían de acuerdo al material usado en

el elemento fisible y a su disposición, el tiempo y la intensidad mínima de

fusión del elemento depende del ambiente en que se encuentre y de la

intensidad de la corriente en el instante anterior a la sobrecorriente. Hay

varios tipos de fusibles, según sus características constructivas y los valores

nominales y de fallas que manejan:

1. Tipo K: Son llamados fusible con elemento rápido.

2. Tipo T: Son fusibles con elemento lento.

3. Tipo H: Llamados fusibles de elemento extra rápido.

4. Tipo DUAL: son fusibles extra lentos.

Criterios para Selección de Fusibles: la capacidad de interrupción de un

fusible se refiere a la corriente que es capaz de interrumpir el fusible a la

97

Page 98: Tesis

tensión de diseño sin sufrir daños irreparables. La capacidad de interrupción

de un fusible debe ser mayor a la corriente de fallas máxima que este deberá

interrumpir. Para determinar la característica de operación del fusible debe

tenerse en cuenta la aplicación que se le esté dando; se tienen dos casos,

fusibles que protegen transformadores de distribución y fusibles que

protegen circuitos ramales.

Para protección transformadores, el fusible no deberá operar para

corrientes menores a dos (2) veces la corriente nominal del transformador. El

fusible deberá proteger al transformador de acuerdo a la curva de daño de

este último, es decir, la corriente de tiempo de despeje debe ser más rápido

que la curva de daño del transformador. Otra consideración es que, el fusible

no debe operar por debajo de la corriente transitoria de energización en

vacío del transformador, para ello debe asegurarse que el punto de inrush

quede por debajo de la curva de mínimo tiempo de fusión.

Por otra parte, en circuitos ramales, se debe asegurar que el fusible no

opere para las condiciones de sobrecarga poco peligrosas. Además, y como

requisito fundamental, la característica del fusible deberá ser tal que pueda

coordinarse de la manera más fácil con los demás elementos de protecci6n

del sistema de distribución.

Bases legales

Las bases legales, la conforman los postulados, leyes, decretos y

ordenanzas emitidas a través de diferentes organismos oficiales, públicos o

privados que de esta forma sustentan la investigación planteada, para el

desarrollo de la propuesta y sea necesario conocer algunas de las leyes que

imponen las autoridades competentes en materia de protecciones eléctricas.

La presente investigación se encuentra legalmente fundamentada en la

constitución de la República Bolivariana de Venezuela, la cual en su artículo

117 tipifica lo siguiente: “Todas las personas tendrán derecho a disponer de

bienes y servicios de calidad, así como a una información adecuada y no

98

Page 99: Tesis

engañosa sobre el contenido y características de los productos y servicios

que consumen, a la libertad de elección y a un trato equitativo y digno. La ley

establecerá los mecanismos necesarios para garantizar esos derechos, las

normas de control de calidad y cantidad de bienes y servicios, los

procedimientos de defensa del público consumidor, el resarcimiento de los

daños ocasionados y las sanciones correspondientes por la violación de

estos derechos”.

También en la ley orgánica del sistema y servicio eléctrico se respalda

esta investigación ya que está en su totalidad manifiesta lo importante de la

energía eléctrica.

En sus artículos:

Artículo 11 de la planificación del servicio eléctrico, expone que es

competencia del poder nacional. Por órgano del Ministerio de Energía

Eléctrica, la planificación y el ordenamiento de las actividades del servicio

eléctrico, en los términos establecidos en la ley orgánica para la ordenación

del territorio y con su sujeción al plan nacional de ordenación del territorio y

plan de desarrollo económico nacional incluyendo los usuarios y autoridades

municipales. De igual manera, dicha ley en su artículo 16 (dieciséis) lo

inherente a los principios bajo los cuales debe actuar la comisión nacional de

energía eléctrica.

En el Artículo 32 de dicha ley, del capítulo I de la gestión del sistema

eléctrico, describe que la gestión del servicio eléctrico deberá realizarse de

manera centralizada a fin de garantizar la óptima utilización de los recursos

de energías primarias producción y transporte de la energía eléctrica para

contribuir a la obtención de un suministro de electricidad confiable,

económico, seguro y de la mejor calidad, de conformidad con esta ley y

demás normas que regulen esta materia.

El código eléctrico nacional explica en su sección 240 y 280 la

protección contra sobrecorrientes, ayudando a especificar su uso y su

aplicación.

99

Page 100: Tesis

La norma IRAM 2271 gobierna las aplicaciones y los componentes de

los transformadores de medida.

Normas COVENIN

Las Normas Venezolanas COVENIN, constituyen la referencia básica

para determinar la calidad de los productos y servicios de que se trate,

particularmente para la protección, educación y orientación de los

consumidores. También exige a los organismos públicos a exigir a sus

proveedores el cumplimiento de las Normas Venezolanas COVENIN en su

adquisición, o en su defecto los cumplimientos de las normas internacionales

y regionales, de otros países, o de asociaciones, con el objeto de asegurar la

calidad.

Reglamento General de La Ley de Servicio Eléctrico Nacional

EL presente Reglamento tiene por objeto desarrollar las disposiciones de

la Ley que rigen el servicio eléctrico en el Territorio Nacional, constituido por

las actividades de generación, transmisión, gestión del Sistema Eléctrico

Nacional, distribución y comercialización de potencia y energía eléctrica, así

como la actuación de los agentes que intervienen en el servicio eléctrico.

(Gaceta Oficial de la república Bolivariana de Venezuela Nro. 5.510 de fecha

14 de Diciembre del 2.000)

A los efectos de la interpretación y aplicación del Reglamento de

Servicio eléctrico, en su artículo Nro.2 se establecen las definiciones que

tendrán el significado para aclarar dudas que se vayan presentados a lo

largo de la realización de este trabajo de investigación.

Definición de Términos Básicos

Alta tensión (AT). Tensión de suministro a niveles mayores a 35 kV.

100

Page 101: Tesis

Ajustes. Son los valores particulares de los parámetros de referencia de un

sistema, o equipos o grupos de elementos, a colocar en protecciones a

objeto de proteger los mismos. Los valores de ajuste se obtienen como

resultado de los cálculos realizados, mediciones o datos suministrados por

los diferentes fabricantes.

Bahía. Es el espacio físico de la S/E conformado por dispositivos de

maniobra y equipos de potencia asociados.

Baja tensión (BT). Tensión de suministro a niveles menores o iguales a 1kV.

Barra. Conjunto de conductores principales por nivel de tensión, a partir de

los cuales se derivan las conexiones de los diferentes equipos que integran

una S/E.

Capacidad de ruptura de un fusible. Valor máximo de la corriente de

cortocircuito que puede cortar bajo la tensión del fusible.

Conexión. Conjunto de conductores y conectores que permiten unir

diferentes equipos entre sí y con las barras.

Corriente Inrush. La corriente de magnetización Inrush es una condición

transitoria que ocurre cuando se energiza un transformador, incluso estando

en vacío.

Cortocircuito. Es el contacto directo entre sí o con tierra de los conductores

energizados correspondientemente a distintas fases.

Diagrama o Plano Unifilar. Representación simbólica de un sistema trifásico

equilibrado y sus elementos más importantes utilizando un solo hilo (como

circuito monofásico).

Esquema de barras. Es la disposición de la barra o de los juegos de barras

por niveles de tensión que forman una subestación.

Esquema de protecciones: Conjunto de relés que protegen una zona

determinada (líneas, transformadores, generadores, entre otros) o un tramo

de la subestación.

Impedancia de secuencia cero. Consiste en tres fasores con magnitudes

iguales y con desplazamiento de fase cero.

101

Page 102: Tesis

Impedancia de secuencia positiva. Consiste en tres fasores con

magnitudes iguales desplazamiento de fase ±120° y secuencia positiva.

Interfaz. Es la comunicación que establece el usuario con cualquier

dispositivo numérico, a través del medio que se establezca, es decir, es la

interacción hombre maquina (OHM). La interfaz puede ocurrir también entre

los mismos equipos. Ej. Relé de patio con el sistema de control central.

Interruptor. También conocido como disyuntor, es un equipo de potencia

diseñado para abrir o cerrar uno o más circuitos eléctricos, bajo condiciones

normales de operaciones o de falla.

Media tensión (MT). Tensión de suministro a niveles intermedios a los

anteriores, generalmente expresados en kV.

Parametrización. Esto se refiere a la adaptación de los equipos de control y

protección a las condiciones propias del sistema, es decir, que los equipos

de control traen sus parámetros de fabricación o por defecto. En caso de las

protecciones se debe adaptar a la coordinación de protecciones, la tensión

de alimentación, o cualquier otro parámetro distinto a lo que posee el

dispositivo.

Perturbaciones. Es la condición que permite la operación de uno o más

componentes del sistema eléctrico, pero continua al prolongarse en el tiempo

puede dañar los equipos.

Potencia aparente en KVA. Potencia aparente requerida por la carga. Es la

suma vectorial de las potencias activas y reactivas, y viene expresado en Kilo

voltamperios (KVA).

Red o circuito de distribución. Son todas las instalaciones con las que se

efectúa la conducción de energía eléctrica desde los puntos de entrega de Ia

transmisión hasta los puntos de suministros de los usuarios.

Relé: Son dispositivos o elementos que reciben una señal o varias señales

como información y que actúan para abrir o cerrar contactos dependiendo de

Ia magnitud, relación de fases o cualquier otra relación de señales.

Sobrecorriente. Elevación de la corriente sobre el valor umbral.

102

Page 103: Tesis

Subestación. Conjunto de dispositivos, aparatos y circuitos que tiene por

función modificar parámetros de la potencia eléctrica.

Subestación de Distribución. Mediante las líneas de transmisión llega la

energía a los centros de consumos de altos niveles de tensión, luego para

poderla distribuir a los consumidores es necesario bajar el nivel de tensión y

se hace uno de las subestaciones reductoras o de distribución.

Subestaciones Elevadoras. La energía no puede ser transmitida a la

tensión de generación, por lo tanto estas subestaciones se encargan de

elevar el nivel de tensión hasta un punto donde puede ser transmitida con

alta eficiencia.

Subestación Nodal. Es aquella S/E que, interconectada con otra, conforma

un anillo en el Sistema de Transmisión y, en Ia cual, el flujo de energía puede

ser en uno u otro sentido, dependiendo de las condiciones del Sistema.

Tablero. Estructura constituida por láminas metálicas en la cual se disponen

equipos de baja tensión (Control, Medición, Protección, Servicios Auxiliares,

entre otros).

Transformador. Equipo estático el cual mediante inducción

electromagnética transfiere la energía electromagnética de un punto del

sistema conectado a la fuente de energía, a otro conectado a la carga,

variando generalmente parámetros de entrada para adaptarlos al centro de

Consumo (Voltaje y corriente).

Valor umbral. Valor de corriente que rige la actividad de los relés.

103

Page 104: Tesis

104

Page 105: Tesis

las líneas Carabobo I y II de las subestaciones mencionadas, obteniendo de

este modo un diagnóstico preciso de la problemática. En este contexto,

Bunge (1993) sostiene que:

“La investigación descriptiva comprende la descripción, el registro,

análisis e interpretación de la naturaleza y la comprensión o

procesos de los fenómenos. El enfoque que se hace sobre

conclusiones dominantes y trabajos sobre realidades de hechos, y

su característica fundamental es la de presentar una interpretación

correcta de los mismos” (p. 22).

Es importante señalar que el proyecto factible debe tener apoyo en una

investigación descriptiva de campo o un diseño que incluya ambas

modalidades.

Diseño de la Investigación

Según la Universidad experimental Libertador (UPEL, 2006) la

investigación de campo consiste en:

105

Page 106: Tesis

“El análisis sistemático de problemas en la realidad con el

propósito bien sea de describirlos, interpretarlos, entender su

naturaleza y factores constituyente, explicar sus causas y efectos,

o predecir su ocurrencia, haciendo uso de métodos característicos

de cualquiera de las paradigma o enfoques de la investigación

conocidos o en desarrollo” (p.18).

Dentro de este marco de opiniones la presente investigación obedece a

un diseño de campo, por cuanto el mismo permitió no solo observar, sino

recolectar los datos directamente de la realidad objeto de estudio, en su

ambiente cotidiano para posteriormente analizar e interpretar los resultados

de estas indagaciones.

Población

De acuerdo a Tamayo y Tamayo (2004), la población “Es la totalidad del

fenómeno a estudiar en donde cada unidad de población posee una

característica común, la cual se estudia y da origen a los datos de la

investigación” (p. 114).

La población de una investigación es el conjunto de unidades de las que

desean obtener y sobre las cuales van a generar conclusiones, también

puede ser definida como el conjunto finito o infinito de elementos personas o

cosas pertinentes a una investigación, la población fue entonces, todos los

esquemas de protecciones de la subestación Pedro Camejo de Corpoelec.

Muestra

Se hace necesario aclarar que se trabajó con la totalidad de la muestra,

la cual se define como muestra causal. Al respecto López (1999), la señala

como: “Aquella porción que representa a toda la población” (p.12), es decir,

la población es toda la muestra a investigar, bien sea en un proyecto factible

u otra modalidad de proyecto.

106

Page 107: Tesis

La muestra es simplemente en sentido genérico, una parte

representativa de la población o universo cuyas características cabe

reproducir en pequeño lo más exactamente posible. En este caso la muestra

son dos esquemas de protección SIEMENS.

Técnicas e Instrumentos para la Recolección de la Información

Las técnicas, tal como la señala Brito (1992) “Son las que permiten

obtener información de fuentes primarias y secundarias” (p.50). Entre las

técnicas más utilizadas por los investigadores se pueden nombrar: encuesta,

entrevista, observación, análisis de contenido y análisis de documentos. Es

así como para la recolección de datos en esta investigación se utilizó como

técnicas: La Técnica de Análisis de Documental, La Observación Científica y

La Entrevista.

Con relación a la observación científica Villafranca (1996), plantea que

“Es planificada y controlada, está sujeta a controles de validez y fiabilidad,

utiliza medios e instrumentos propios”. Al mismo tiempo señala el mismo

autor que la observación científica según los medios se califica en

Observación no estructurada y Observación estructurada (p.66).

En este orden de ideas, hay que resaltar que el presente estudio empleo

la observación estructurada, la cual se refiere según Villafranca (1996), a

aquella que facilita observar los fenómenos en forma sistemática y utilizar

técnicas e instrumentos que permitan medir y organizar la información.

En lo que concierna a la técnica de análisis documental, la misma es

asumida por Hernández (1992), como una técnica que consiste en “detectar

obtener y consultar la bibliografía y materiales que pueda ser útiles para el

propósito del estudio así como extraer y recopilar la información relevante y

necesaria que atañe al problema en investigación” (p.57).

Asimismo, con respecto a la técnica de la Entrevista, Arias (2006) indica

que “Más que un simple interrogatorio es una técnica basada en el dialogo o

conversación cara a cara entre el entrevistador y el entrevistado acerca de

107

Page 108: Tesis

un tema previamente determinado, de tal manera que el entrevistador pueda

obtener la información requerida” (p.73).

Más adelante Arias (2006) señala que la entrevista se clasifica en

entrevista estructurada o formal, entrevista no estructurada y entrevista

semi- estructurada.

Dentro de este contexto, esta investigación utilizó para recolectar la

información la entrevista estructurada o formal, la cual es definida por el

autor anteriormente mencionado, como la que se realiza a partir de una guía

prediseñada que contiene las preguntas que serán formuladas al

entrevistado para lograr obtener de allí las respuestas requeridas para el

análisis correspondiente.

En cuanto al instrumento se tiene que Pérez (2006) lo considera como la

herramienta que utiliza el investigador para registrar y organizar

posteriormente la información o las respuestas (p.77). Para este estudio se

seleccionó una guía de entrevista, conformada por trece (13) preguntas.

Validez del instrumento

La validez del instrumento se refiere al grado en que el resultado del

mismo realmente refleja lo que se está midiendo, es decir, que mide lo que

se pretende medir. La validez según Hernández (2006) se refiere “Al grado

en que un instrumento mide a la variable que se pretende medir” (p.243).

El mecanismo más utilizado para obtener la validación es el juicio de

expertos el cual es definido según Pérez (2006) como:

“La revisión extractiva del instrumento de investigación a ser

aplicado. Se confía su revisión a un panel de especialistas en

metodología conocedores de la materia en estudio. Ellos verifican

la redacción, exclusión y la correlación entre objetivos, variables e

indicadores, y las preguntas (ítems) del instrumento de

investigación” (p.80).

108

Page 109: Tesis

Se hace necesario mencionar que la guía de entrevista que se utilizó se

sometió a consulta, para una revisión de las preguntas con la finalidad de

describir su representatividad y evitar confusión y ambigüedad al momento

de su aplicación a la población del objetivo de estudio.

Técnica de Análisis de los Datos

Para el análisis de los datos que se recabaron a través de la aplicación

de la entrevista estructurada, se hará uso de la estadística descriptiva, que

consiste en analizar la información recolectada. Los resultados obtenidos se

presentaran organizados de acuerdo a los objetivos previamente

establecidos para el desarrollo de la investigación. Dichos hallazgos,

orientaran la redacción del cuerpo de conclusiones y recomendaciones.

Fases de la Investigación

Fase I: Diagnostico la situación actual que presentan los esquemas de

protección actuales en las líneas Carabobo I y Carabobo II enlace que

une a las subestaciones Carabobo y Pedro Camejo.

El estudio por estar enmarcado en la modalidad de proyecto factible se

desarrolló en (3) fases, siendo la Fase I, la que se refiere al diagnóstico o

detección de necesidades. Durante esta fase se llevó a cabo el diagnóstico

de la situación actual que presentan los esquemas de protección en las

líneas Carabobo I y Carabobo II en las Subestaciones Carabobo y Pedro

Camejo, para lo cual fue necesario determinar: la naturaleza del estudio,

población y muestra, técnicas e instrumentos de recolección de datos,

109

Page 110: Tesis

validez y confiabilidad del intercambio y técnicas de análisis de datos, es de

hacer notar que dicha fase determinó la naturaleza del estudio, la cual se

orientará bajo el enfoque cuantitativo.

En esta fase se estudió las estadísticas de fallas presentes en la zona

de estudio para así comparar la mejoría de los nuevos esquemas con los

actuales, así como también las cargas máximas de las líneas asociadas.

Se observó los planos y la ingeniería de detalle que presentan los

actuales esquemas de protección, especificando las características de los

actuales esquemas, también se obtuvo información sobre las impedancias

de las líneas y los niveles de cortocircuitos de las dichas líneas asociadas a

las subestaciones en estudio.

Según Hernández (2006) el enfoque cuantitativa “Usa la recolección de

datos para probar hipótesis, con base en la medición numérica y el análisis

estadístico, para establecer patrones de comportamiento y probar teorías”

(p.5). De esta manera la fase diagnostica atendió a los lineamientos del

método científico a través de la aplicación de procedimientos cuantitativos

como lo es el empleo de la entrevista estructurada.

Fase II: Análisis de los parámetros obtenidos calculando los niveles de

cortocircuito para el diseño de la nueva ingeniería de detalle.

En esta fase se analizará los resultados obtenidos mediante el

diagnóstico, para lograr manejar los elementos que regirán la

implementación de los esquemas de protecciones numéricos, se calculará

con cuanta frecuencia ocurre una falla y como el sistema actual la aísla, si es

que lo logra hacer. También se calculará los niveles de cortocircuitos según

las impedancias de las líneas asociadas a las subestaciones en estudio. Se

analizaran los resultados que deje este cálculo, el cual ayudara a la

escogencia de nuevos esquemas de protecciones; el análisis de las variables

aplicadas para el diagnóstico mostrará con exactitud qué ocurre actualmente

y cuáles son las deficiencias en el sistema. En esta fase II se estudiaran los

110

Page 111: Tesis

parámetros monitoreados por el esquema actual de protección en el enlace

que une las subestaciones Pedro Camejo y Carabobo. Después del análisis

de los resultados obtenidos para lograr la mejora y reemplazo de los

esquemas de protección se adecuará la ingeniería de detalle de los nuevos

esquemas.

Fase III: Evaluación la factibilidad Técnica-Económica de la

implementación de las protecciones numéricas en las líneas Carabobo I

y Carabobo II.

En esta fase se procedió a determinar la viabilidad de la propuesta,

partiendo de la factibilidad técnica, la cual está referida tanto al recurso

humano como al recurso tecnológico, que se requieren para ejecutar las

acciones correspondientes a la implementación de los esquemas numéricos

de protección. Dentro de este escenario se puede decir, que si se tiene el

recurso humano especializado y actualizado en el área. Ingenieros eléctricos

y técnicos en electricidad los cuales con su amplia disposición y

compromiso, llevaron a cabo la propuesta presentada. Por otro lado se

posee el recurso tecnológico (protecciones numéricas) los cuales mediante

el cambio de ingeniería y equipos fue factible adecuar los esquemas a las

nuevas tecnologías en las líneas Carabobo I y II en las subestaciones

Carabobo y Pedro Camejo. De igual manera, fue posible determinar la

viabilidad económica de la propuesta, la cual fue positiva, por cuanto en el

presupuesto de las subestaciones mencionadas, estaban incorporados los

esquemas numéricos como innovación.

Fase IV: Implementación de Protecciones Numéricos, mediante el

Cambio de Ingeniería y Equipos para adecuar los Esquemas a las

Nuevas Tecnologías en las líneas Carabobo I y II de las Subestaciones

Carabobo Y Pedro Camejo.

111

Page 112: Tesis

A través del desarrollo de esta fase se ejecutara el cambio de equipos

mediante la realización de pruebas de aceptación para la puesta en servicio

de los nuevos esquemas numéricos de protección en las líneas

anteriormente mencionadas. Dichas acciones, una vez implementados

permitieron evaluar los alcances de los mismos lo cual arrojo resultados

satisfactorios por cuanto se dio respuesta correcta y oportuna a la

problemática inicialmente planteada. Todo ello fue posible obtenerse gracias

a la modernización de los esquemas por medio de innovaciones que

lograron minimizar las interrupciones que afectaban con frecuencia las

diferentes actividades de la vida cotidiana, así como la optimización en el

suministro de energía eléctrica. De igual modo la protección numérica

permitió facilitar la medición, supervisión y control del sistema eléctrico.

112

Page 113: Tesis

generadores pueden verse en el cuadro 6. Dichos generadores alimentan

unos transformadores que se encargan de elevar la tensión de 13,8kV a

115kV hacia la barra principal del patio de transmisión de la subestación.

113

Page 114: Tesis

Figura 38: Generador, Plata Pedro Camejo. Fuente: Patio Subestación Pedro Camejo.

Dicha barra en el nivel de tensión mencionado, se encuentra entrelazada

con una serie de equipos de potencia, dando origen a los tramos de salida de

línea o de transformación. En el patio de transmisión existen salidas de

líneas del mismo nivel de tensión hacia la Subestación San Diego (dos

salidas), a la subestación Carabobo (dos salidas), a la Subestación Valencia

y la Subestación Planta del Este, todas estas pertenecientes a

CORPOELEC, dichas entradas y salidas pueden observar claramente en el

diagrama unifilar expuesto en el Anexo A.

Estas configuraciones están conformadas por interruptores de potencia,

seccionadores (sea hacia línea o hacia barra), transformadores de medida

como los TP y TC, soportes, conductores y transformadores de potencia.

114

Page 115: Tesis

Cuadro 6: Generadores.

Identificación G11 y G12

Marca Siemens

Elevación 1542 pies

Potencia 202 MVA

Factor de Potencia 0.8

Amperios del Estator 7775 A

Voltaje del Estator 15000 V

Fases

Frecuencia

Velocidad

Amperios Rotor

Estándar

Temperatura Máxima de Operación

Temperatura Mínima de Operación

3

60 Hz

3600 rpm

1378 A

ANSI

113 °F

50 °F

Fuente: Subestación Pedro Camejo.

Gracias a la técnica de observación directa se diagnosticó cuantos

equipos de potencia conforman los tres mencionados patios de la

subestación Pedro Camejo, se tomó nota de cada una de las marcas y

simbologías de dichos equipos, así como también de sus características

principales dejando como resultado los siguientes datos:

Interruptores de Potencia

Los interruptores de potencia (Ver figura 39), están asociados a todas y

cada una de las salidas de línea o al tramo de transformación. Los otros

interruptores que forman parte del patio de la subestación Pedro Camejo son

los que están asociados a los tramos de generación y transformación. Las

115

Page 116: Tesis

diferentes marcas de los interruptores y sus características se encuentran

explicitas en los cuadros 7, 8 y 9.

Cuadro 7: Interruptores de Potencia.

Identificación H605,H105

Marca AREVA,ALTOM

Tipo

Tensión nominal

GL 312 F1

145KV

Intensidad de corriente nominal 3150 A

Duración nominal admisible de

cortocircuito

Corriente de corte nominal en

cortocircuito

3 seg

40KA

Tipo de extinción Gas SF6

Año 2007

Fuente: Subestación Pedro Camejo.

Figura 39: interruptor de Potencia marca Siemens. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

Cuadro 8: Interruptores de Potencia.

Identificación H505,H1190,H1290

Marca Siemens

116

Page 117: Tesis

Tipo

Tensión nominal

3AP1 FG

115 KV

Frecuencia 60Hz

Intensidad de corriente nominal 3150 A

Duración nominal admisible de

cortocircuito

Corriente de corte nominal en

cortocircuito

3 seg

40KA

Tipo de extinción SF6

Año 2012

Fuente: Subestación Pedro Camejo.

Cuadro 9: Interruptores de Potencia.

Identificación H405, H305, H205, H110

Marca ASEA

Tipo

Tensión nominal

145/2602 B2

123KV

Frecuencia 60Hz

Intensidad de corriente nominal 2500 A

Duración nominal admisible de

cortocircuito

Corriente de corte nominal en

cortocircuito

3 seg

50KA

Tipo de extinción Aceite

Año 1977

Fuente: Subestación Pedro Camejo.

Seccionadores de Potencia

Los seccionadores de potencia (Ver figura 40) pueden abrir el tramo

hacia la barra o hacia la línea de salida, es decir, hay dos seccionadores por

117

Page 118: Tesis

cada tramo, cabe destacar que a través del diagnóstico se observó que

dichos equipos tienen muchos años en funcionamiento, algunos de ellos ya

no son controlados u operados desde la sala de mando, para abrirlo para

cualquier eventualidad se requiere trabajo manual del operador, siendo esto

algo riesgoso para ellos. Las características de dichos equipos se muestran

en el cuadro 10.

Cuadro 10: Seccionadores de Potencia.

Marca ASEA, JARDI

Año 1790

Tensión Nominal 123KV

Intensidad Nominal 1000 A

Tensión de ensayo al choque 550KV

Limite térmico 40KV

Fuente: Subestación Pedro Camejo.

Figura 40: Seccionador ASEA. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.Transformadores de Potencia

Los transformadores de potencia forman parte de los patio de

generación y distribución, siendo tres (3) en la subestación Pedro Camejo,

118

Page 119: Tesis

dos elevadores que se encuentran en la salida de los generadores ya

mencionados (Ver figura 41), cuyas características se expresan en el cuadro

11, y uno que se encarga de reducir la tensión a el nivel requerido para los

circuitos de distribución (Ver figura 42), los datos más importantes de dicho

transformador se encuentran en el cuadro 12. Para cada uno de los

transformadores existe una protección diferencial para que al momento de

una falla en cualquier parte de la subestación no se vean afectados, igual si

hay una falla dentro del mismo la protección actuara para no extender el

inconveniente hacia las diferentes partes de la subestación.

Cuadro 11: Transformadores de Potencia Elevador.

Identificación TG11,TG12

Marca Fortune Elec

Tipo Núcleo

Fases 3

Estándar IEEE C57.12

Tensión Nominal en Alta 115KV

Tensión nominal en Baja 15KV

Temperatura del Aceite 65 ° C

Impedancia 7,46%

Potencia 135-225 MVA

Grupo Vectorial YNd1

Intensidad Nominal Alta 678-1130 A

Intensidad Nominal Baja 5196-8660 A

Año 2005

Fuente: Subestación Pedro Camejo.

119

Page 120: Tesis

Figura 41: Transformador de potencia Fortuner Elec. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

Cuadro 12: Transformadores de Potencia Reductor.

Identificación TD

Marca ALSTHOM

Tipo TTHRV

Fases 3

Estándar IEC 76

Tensión Nominal en Alta 115KV

Tensión nominal en Baja 13.8KV

Temperatura del Aceite 60 ° C

Impedancia 10,2%

Potencia 24-30 MVA

Grupo Vectorial YNyn0

Intensidad Nominal Alta 151 A

Intensidad Nominal Baja 1255 A

Año 1990

Fuente: Subestación Pedro Camejo.

120

Page 121: Tesis

Figura 42: Transformador de Potencia ALSTHOM. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

Transformadores de Potencial

Los transformadores de medida son una parte muy importante dentro de

la subestación, estos se encargan de bajar el nivel de tensión o corriente, a

unos valores medibles y manipulables para los equipos de protección y

medición. Cada uno de estos transformadores está asociado a una fase, es

decir son monofásicos.

Dentro de estos equipos de medida están los transformadores de

potencial o tensión (TP) (Ver figura 43), conectados en paralelo a la las

líneas de transmisión; son utilizados para obtener los parámetros que definen

o contiene dichas líneas, estos parámetros o valores son llevados desde

estos TP hasta la sala de mando de la subestación, y son observados en los

tableros de medición o de protecciones, ayudando así a configurar los

ajustes de las mismas. Dichos TP en la subestación en estudio, son tres (3)

por cada salida o tramo, siendo de varias marcas y de diferentes años de

121

Page 122: Tesis

fabricación, pero básicamente con las mismas características, dichas

especificaciones se encuentran expresadas en el cuadro 13.

Figura 43: Transformador de potencial AREVA. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

Cuadro 13: Transformadores de Potencial.

Marca ABB, AREVA, ARTECHE, RITZ

Tipo

Nivel de tensión

UXT-123

115KV

Frecuencia 60 Hz

Relación 115KV/110V

Normas IEC 60044-3

Año 2012

Fuente: Subestación Pedro Camejo.

122

Page 123: Tesis

Los transformadores de potencia se encuentran compuestos por un

núcleo en el primario y dos núcleos en el secundario, dicha división del

secundario es para poder tener en el mismo equipo dos funciones, medición

y protección. En el cuadro 14 se muestra como están distribuidos los núcleos

en los transformadores de tensión o potencial, en las líneas en estudio,

mostrando en el mismo, la clase de precisión y las relaciones de

transformación de cada núcleo.

Cuadro 14: Uso de los núcleos del secundario en los TP.

Núcleo Cantidad Terminales Relación Carga y Clase de

precisión

Medición 1 1a-1n 115KV/110V 150VA CL 0.5

Protección 1 2a-2n 115KV/110V 75VA 3P

Fuente: Placa característica de los TP en patio S/E Pedro Camejo.

Transformadores de Corriente

Los transformadores de corriente (TC), encargados de reducir la

corriente o intensidad, a niveles manejables por los equipos de protección y

medición, son monofásicos; dichos TC se conectan en serie con la salida de

línea, permiten saber cuánta corriente pasa por cada fase, y así poder

colocar todos los demás componentes relacionados, referidos ese valor.

En la subestación Pedro Camejo se observaron tres (3) por cada salida

de línea o tramo (Ver figura 44), siendo de diferentes relaciones,

dependiendo la carga que tenga cada salida, pero con características

comunes entre ellos, a pesar de las diferencias entre los fabricantes. Dichas

características se encuentran expuestas en el cuadro 15.

123

Page 124: Tesis

Figura 44: Transformador de Corriente ASEA. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

Cuadro 15: Transformadores de Corriente.

Marca ABB,AREVA

Tipo IMB 123

Normas IEC 60044-1

Distancia Fuga 3625 mm

Tensión Máxima 123 KV

Nivel de aislamiento 230-550 KV

Corriente térmica 1800 A

Frecuencia 60Hz

Relación 1500/5

Fuente: Subestación Pedro Camejo.

En los TC de las tres fases de las líneas en estudio, existen núcleos

primario y secundario. El primario no tiene particiones, pero el secundario se

124

Page 125: Tesis

encuentra dividido en cuatro partes para poder distribuir las funciones en

protección y medición. En el cuadro 16 se expresa detalladamente como son

utilizados esos núcleos, que relación de corriente los caracteriza y bajo qué

clase de precisión operan.

Cuadro 16: Uso de los núcleos del secundario en los TC.

Núcleo Cantidad Terminales Relación Carga y Clase de

precisión

Medición 1 4S3-4S4

4S2-4S4

4S1-4S4

1500/5 A

2000/5 A

2500/5 A

50 VA Clase 0.2 Fs 5

60 VA Clase 0.2 Fs 5

85 VA Clase 0.2 Fs 5

Protección 3 1S3-1S4

1S2-1S4

1S1-1S4

2S3-2S4

2S2-2S4

2S1-2S4

3S3-3S4

3S2-3S4

3S1-3S4

1500/5 A

2000/5 A

2500/5 A

1500/5 A

2000/5 A

2500/5 A

1500/5 A

2000/5 A

2500/5 A

40 VA clase 5P20

40 VA clase 5P20

40 VA clase 5P20

40 VA clase 5P20

40 VA clase 5P20

40 VA clase 5P20

40 VA clase 5P20

40 VA clase 5P20

40 VA clase 5P20

Fuente: Placa característica de los TP en patio S/E Pedro Camejo.

La Subestación en estudio cuenta con un patio de distribución,

compuesto como se mencionó antes, por un transformador de potencia de 30

MVA, llevando el nivel de tensión de 115kV a 13.8 kV, alimentando así 4

circuitos de diversas empresas del sector industrial (Domínguez, Ancor,

Alaca y Goodyear).

125

Page 126: Tesis

En el cuadro 17, se nombran los códigos de cada línea (salidas de línea

o circuitos de distribución), su nivel de tensión y la relación de sus

transformadores de corriente (TC).

Cuadro 17: Salidas de Líneas Pedro Camejo.

Salida de línea Código Tensión Relación TC

Planta del Este H105 115KV 750/5

Valencia H205 115KV 750/5

Carabobo I H305 115KV 1500/5

Carabobo II H405 115KV 1500/5

San Diego I H505 115KV 750/5

San Diego II H605 115KV 750/5

D-180 D-180 13,8KV 1200/5

Domínguez D105 13,8KV 400/5

Goodyear D205 13,8KV 600/5

Ancor D305 13,8KV 400/5

Alaca D405 13,8KV 400/5

Fuente: Gerencia de Operaciones Corpoelec Carabobo.

Se extrajo de los tableros de medición de la subestación una tabla con

las cargas máximas de las líneas de entradas y salidas, tanto de transmisión

como del patio de distribución.

En el cuadro 18 se expresan estas cargas máximas de cada salida de

línea o circuito de distribución, las cuales están seleccionadas puntualmente

en un periodo comprendido entre Enero 2014 hasta Marzo 2015.

Cada uno de los circuitos de distribución se observan en la figura 45.

126

Page 127: Tesis

Aquí va cuadro 18

127

Page 128: Tesis

Figura 45: Circuitos de Distribución. Fuente: Patio S/E Pedro Camejo.

Siguiendo con el diagnostico, fueron facilitados los niveles de

cortocircuito actuales del sistema, a la Gerencia de Operaciones de

Corpoelec, donde se especifican los niveles de cortocircuito trifásico y

monofásico respectivamente de las subestaciones involucradas (Pedro

Camejo y Carabobo) (Ver anexo B).

Siguiendo con la recopilación de información para diagnosticar la

situación actual a través de la observación directa, se tienen los equipos de

protecciones referidos a las líneas que sirven de enlace entre la subestación

Pedro Camejo y la subestación Carabobo, dichos esquemas están

compuestos por una protección de hilo piloto como protección principal y una

protección de distancia como protección de respaldo.

Dicha protección principal de hilo piloto es un esquema diferencial marca

ASEA, de un tecnología electrónica discreta, el cual operaba a través de su

128

Page 129: Tesis

comunicación entre las subestaciones mediante un conductor de cobre

alojado a las afueras de la subestación.

Gracias a las visitas a la subestación Pedro Camejo se puedo constatar

que dicho esquema ya no se encuentra en funcionamiento debido a que el

conductor o elemento de comunicación fue hurtado. Ya que se encontraba a

las afueras de la subestación, siendo el esquema de respaldo el único en

funcionamiento, es decir, que dichas líneas no cuentan con una protección

de respaldo colocando en peligro los equipos y el sistema eléctrico.

Al momento de que no actué la protección principal por cualquier

inconveniente cuando ocurre una falla, quedan todos expuestos y podrían

dañarse, afectando así todo el sistema. En la figura 46 y 47 se puede

observar el tablero que conformaba dicha protección de hilo piloto ya fuera

de servicio.

Figura 46: Esquema de Protección de Hilo Piloto Parte Frontal. Fuente: Sala De Mando S/E Pedro Camejo.

129

Page 130: Tesis

Figura 47: Esquema de Protección de Hilo Piloto Parte Trasera. Fuente: Sala De Mando S/E Pedro Camejo.

El esquema de respaldo (ahora principal), es un esquema de distancia

marca BBC LZ-32, de una tecnología electromecánica, muy robusta

compuesta por dos tableros muy grandes, dicha protección no es muy exacta

ya que las líneas en estudio son de tan solo 600m, y esto hace que se vuelva

imprecisa. Dicha esquema de protección puede verse en las figuras 48 y 49.

Estos relés pueden detectar cortocircuitos entre fases, cortocircuitos

trifásicos y:

a. En sistemas con neutro sólidamente aterrado, fallas a tierra

monofásicas y polifásicas.

b. En sistemas con neutro aislado o aterrado a través de una

impedancia, dobles fallas a tierra.

El valor de impedancia de arranque de estos relés es variable e

independiente del valor de corriente superior a 3.5 IN. A fin de aumentar el

rango de la protección a bajas corrientes, los relés LZ, están diseñados de tal

forma que la impedancia de arranque a bajas corrientes sea más alta que el

130

Page 131: Tesis

valor ajustado. Cuando el voltaje cae a cero estos relés actúan como relés de

sobrecorriente y arrancan a 0.25 IN.

Figura 48: Esquema de Protección de LZ32 Parte Frontal. Fuente: Sala De Mando S/E Pedro Camejo.

Figura 49: Esquema de Protección LZ32 Parte Trasera. Fuente: Sala De Mando

S/E Pedro Camejo.

131

Page 132: Tesis

Un cambio en la frecuencia del sistema no afecta la medición. La

impedancia de secuencia positiva de la línea siempre es medida,

independientemente del tipo de falla.

Las características del esquema LZ32 se muestran en el cuadro 19.

Cuadro 19: Características Principales del Relé de Protección LZ32.

Características

Relé capacitado para proteger líneas aéreas o subterráneas, incluso las

de gran longitud y carga elevada.

Detección selectiva de cualquier tipo de falla.

Relés de arranque por mínima impedancia.

Protección de reserva contra las fallas a tierra.

Características de protección de distancia, con cuatro escalonamientos de

tiempos, regulables independientemente entre sí.

Elemento común para la medida de la distancia en función del sentido,

con característica de círculo de admitancia desplazado.

Desenganche rápido en la primera etapa.

Tiempo mínimo de operación: 40 ± 5 mseg.

Tres etapas direccionales y una no direccional.

El tiempo de ajuste de cada etapa puede variarse entre 0.1 y 5 seg

independientes entre sí.

Amplios márgenes de regulación, con la consiguiente flexibilidad de

adaptación.

Notable insensibilidad frente a las oscilaciones de la red.

Selector para elegir cuatro programas de reenganche diferentes.

Permite esquemas de reenganche monofásico, trifásico o ambos a la vez.

Selector de alargamiento de la primera etapa.

Permite esquemas de operación de: aceleración de etapa, sobre alcance

permitido, subalcance permitido.

Permite compensar la característica de arranque (compundaje).

Fuente: Mario Aguilar (2009).

132

Page 133: Tesis

Para asegurar la desconexión rápida en ambos extremos en líneas con

doble alimentación, se puede usar los siguientes métodos:

a. Sobrealcance: (Sin señal de conexión entre las subestaciones de los

dos extremos de la línea).

b. Transferencia Carrier: (Transmisión de una subestación a otra de

una señal de disparo a través de un canal de alta frecuencia).

c. Aceleración de Etapas: (Tan pronto como un relé de distancia

arranca, el alcance de la primera etapa del relé de la otra subestación.

Otra característica de este tipo de protección a distancia es su operación

de acuerdo a una curva tipo MHO, la cual muestra las etapas de alcance y

en que cuadrante del plano cartesiano, se encuentra la Zona de Arranque

(Ver figura 50).

Figura 50: Curva Tipo MHO del relé LZ32. Fuente: Corpoelec.

Etapas de Alcance

En la figura 51 se muestra el alcance de impedancia del relé y tiempo de

133

Page 134: Tesis

y tiempo de operación para cada una de las zonas de protección de la línea

de acuerdo a los ajustes de Coordinación.

Dentro de las cosas más importantes del diagnóstico de las protecciones

en estudio, se encuentra la revisión de la estadística de fallas presentadas en

los dos últimos años en dichas líneas que logran hacer el enlace entre las

subestaciones.

Figura 51: Etapas de Protección del LZ-32. Fuente: Dpto. de Protecciones Carabobo.

Estas tablas de estadísticas nos muestran la fecha, la hora el motivo y la

consecuencia de cada interrupción al sistema, mostrando que quedo fuera

de servicio y que fue afectado. Dicha tabla fue suministrada por el

departamento de operaciones de la gerencia de transmisión Carabobo. En el

cuadro 20 se observa los detalles mencionados de estadística de fallas.

Esta estadísticas nos permite comparar la frecuencia con que el sistema

presenta problemas, indicando lo preciso o no de las protecciones, dando

como resultado cuál de ellas son o no confiables, es decir, nos permite

demostrar cuando operaron las protecciones.

En el mismo contexto se obtuvo del departamento de protecciones

encargado de operaciones en las subestaciones en estudio, un cuadro con

las impedancias de las líneas que unen las subestaciones Pedro Camejo y

134

Page 135: Tesis

las impedancias de las líneas que unen las subestaciones Pedro Aquí va el

cuadro 20

135

Page 136: Tesis

136

Page 137: Tesis

Carabobo, tanto en secuencia positiva como secuencia cero, también se

muestran las impedancias de las líneas asociadas a las dos subestaciones.

En el cuadro 21 se muestran dichas impedancias.

Cuadro 21: Impedancias Características de las Líneas.

Inicio Final Nombre Tensión Corriente Longitud

Pedro Camejo Carabobo Carabobo 1 115 KV 301 A 600mPedro Camejo Carabobo Carabobo 2 115 KV 301 A 600m

Datos de Secuencia PositivaR(Ohm/Km) X(Ohm/Km) B(Mho/Km) R(p.u) X(p.u) B(p.u)

0,2006 0,5003 3,2770 0,0009 0,0023 0,0003

Datos de Secuencia CeroR(Ohm/Km) X(Ohm/Km) B(Mho/Km) R(p.u) X(p.u) B(p.u)

0,4610 1,5830 2,0160 0,0021 0,0072 0,0002

Fuente: Departamento de Protecciones Región Carabobo (2010).

También se extrajo información de los componentes de la subestación

Carabobo (Ver figura 52). Con cuantos equipos de potencia y circuitos

cuenta dicha instalación, cabe destacar que esta es la llegada de las líneas

en estudio.

Figura 52: Patio S/E Carabobo. Fuente: S/E Carabobo.

137

Page 138: Tesis

Para dicha información se elaboró el cuadro 22, donde se colocó los

nombres de dichos equipos, los cuales serán tomados en cuenta en la fase

dos de esta investigación.

Cuadro 22: Datos de la Subestación Carabobo.

Subestación Carabobo

Interruptores en estudios H605 ,H505

Transformadores 4 de 36 MVA

Salidas de líneas 4 en 115 KV

Circuitos de distribución 18 en 13 KV

Fuente: S/E Carabobo.

Dentro de este mismo orden se obtuvo los diagramas unifilares de

ambas subestaciones por separado (Ver Anexo C), verificando todos los

componentes plasmados en el diagrama unifilar, a través de visitas

realizadas a dichas instalaciones.

Otras de las informaciones que nos dejó el diagnóstico fue la estadística

de falla de los generadores eléctricos que conforman la planta de generación

Pedro Camejo, estas en un periodo que va desde enero hasta diciembre de

2014. Estas fallas son referidas a cada vez que el generador se disparó por

diversas causas eléctricas. Las mismas se muestran en el cuadro 23. Cabe

destacar que los generadores una vez quedan fuera de servicio, pasan por

un proceso o protocolo de encendido que tiene un tiempo prolongado; es por

esto que una falla en dichos equipos, afecta al sistema de una manera grave,

ya que lo deja sin la potencia que entregan dichos generadores.

138

Page 139: Tesis

Cuadro 23: Estadística de falla de la planta de generación Pedro Camejo.

Unidad Fecha Hora

12 06-02-2014 06:2311 12-02-2014 16:5311 07-03-2014 07:38

11 08-03-2014 22:49

11 08-03-2014 08:29

11 10-03-2014 22:15

11 13-03-2014 22:10

12 13-03-2014 22:10

12 10-04-2014 15:43

11 10-04-2014 16:07

11 10-05-2014 14:05

12 09-06-2014 04:27

12 09-06-2014 06:21

12 10-06-2014 23:53

12 17-06-2014 10:04

11 21-08-2014 10:20

12 21-08-2014 10:20

12 28-08-2014 12:20

12 21-09-2014 10:18

12 26-09-2014 22:38

11 05-10-2014 23:01

12 05-10-2014 23:01

12 07-10-2014 23:13

12 12-10-2014 06:45

12 14-10-2014 23:42

11 11-11-2014 16:01

12 14-11-2014 06:41

12 15-11-2014 18:57

11 18-12-2014 16:01

12 30-12-2014 07:01Fuente: Planta de generación Pedro Camejo.

139

Page 140: Tesis

Fase II: Análisis de los parámetros obtenidos calculando los niveles de

cortocircuito para el diseño de la nueva ingeniería de detalle.

En esta fase se realizará el cálculo de cortocircuito en la barra 115KV de

la S/E Pedro Camejo. Tomando en cuenta los aportes de todas las fuentes

que se encuentran conectadas a dicha barra.

En dicho cálculo se utilizó la teoría de sistemas de potencias para el

análisis de fallas, monofásicas, bifásicas y trifásicas.

Cabe destacar que sirvió de ayuda las impedancias de las líneas y de

los equipos involucrados, aportadas por la gerencia de operaciones de

Carabobo; así como también los diagramas unifilares de todo el sistema

central, ambas expuestas en la fase I.

En la figura 53 se muestra el esquema o diagrama unifilar que se utilizó

para el cálculo mencionado. Cabe mencionar que se toma este diagrama

tomando en cuenta los aportes de las SS/EE adyacentes.

Figura 53: Diagrama unifilar utilizado para el cálculo. Fuente: AutoCAD.

140

Page 141: Tesis

El cálculo según la teoría de análisis de sistemas de potencia, se divide

en encontrar primero los valores de prefalla o antes de que ocurra la

anormalidad, y luego al momento de la misma, logrando así obtener valores

de las corrientes que contribuyen a la falla.

Se inicia el cálculo de los valores de prefalla, obteniendo los valores

reales de cada elemento involucrado.

Del diagnóstico se extrae las impedancias involucradas con el sistema

en estudio. Cada uno de estos valores están relacionados a bases

diferentes, las mismas llevadas a un sistema por unidad con una base

común, esto para que todos los equipos y líneas involucradas, estén

referidos a una sola base.

Se empieza por conocer el diagrama equivalente de impedancia (Ver

figura 54).

Dichas bases están compuestas por un voltaje base y una potencia

base; las cuales son normativa de Corpoelec, esta establece que para

cualquier calculo en un sistema por unidad relacionado con sus instalaciones

deben utilizarse los valores que se muestran en el cuadro 24.

Cuadro 24: Valores base del sistema en estudio.

Potencia base Sbase 100MVA

Voltaje base Vbase 115KV

Fuente: Corpoelec.

Figura 54: Diagrama de impedancias equivalente. Fuente: AutoCAD.

141

Page 142: Tesis

En el cuadro 25 se muestran las impedancias extraídas del diagnóstico,

involucradas con el sistema en estudio.

Cuadro 25: Impedancias involucradas con el sistema en estudio.

Equipo Símbolo Impedancia Impedancia en

P.U

Generador 11 Xg11 10% 0.1

Generador 12 Xg12 10% 0.1

Transformador 1 Xt1 7,46% 0.0746

Transformador 2 Xt2 7,44% 0.0744

Transformador

distribución

Xd 10,2% 0.102

Línea Símbolo Impedancia por km

Impedancia en

ohm

San diego 1 y 2 Xsd1 , Xsd2 0.4992Ω/km 3.14 Ω

Carabobo 1 y 2 Xc1 , Xc2 0.5003Ω/km 0.30018 Ω

Valencia Xv 0.4836Ω/km 3.675 Ω

Planta del Este Xpe 0.4834Ω/km 1.4502 Ω

Fuente: Gerencia de operaciones Carabobo.

Para poder dar inicio al cálculo, es preciso primero saber que de cada

una de las SS/EE que se encuentran anilladas con la S/E Pedro Camejo, se

obtienen unos sistemas externos (SE), es decir, una fuente y una impedancia

que caracteriza la barra mostrada en el diagrama equivalente. Dichas fuentes

e impedancias son calculadas con la siguiente ecuación:

Dónde:

142

Xcc=Vcc2

SK ¨Ec. 5

Page 143: Tesis

Xcc= Es la impedancia generada por el sistema externo.

Vcc= Voltaje del sistema externo.

SK”= Potencia del sistema externo.

Antes de ver como quedaría el diagrama para el cálculo, se

muestran los aportes trifásicos y monofásicos de las SS/EE adyacentes en el

cuadro 26 y 27 respectivamente. En dichos cuadros se puede observar la

corriente máxima de cortocircuito subtransitoria, el ángulo de la misma, la

potencia de cortocircuito y la corriente pico de cortocircuito. Todos estos

datos referidos al nivel de tensión en estudio (115KV). Dichos valores son los

que rigen a los sistemas externos mencionados.

Cuadro 26: Aporte trifásico de las SS/EE involucradas.

S/E IK” (KA) IK” ( deg) SK” (MVA) Ip (KA)

San Diego 33.16 -83.67 6605.17 81.95

Valencia 28.65 -82.67 5707.39 69.62

Planta del Este 24.73 -80.49 4926.33 56.78

Carabobo 30.85 -83.55 6145.54 75.20

Fuente: Gerencia de Operaciones Corpoelec.

Cuadro 27: Aporte monofásico de las SS/EE involucradas.

S/E IK” (KA) IK” ( deg) SK” (MVA) Ip (KA)

San Diego 34.086 -83.042 2263.179 84.24

Valencia 32.976 -83.060 2189.434 80.12

Planta del Este 21.875 -77.884 1452.407 50.22

Carabobo 29.602 -81.584 1965.424 72.15

Fuente: Gerencia de Operaciones Corpoelec.

El diagrama equivalente cambia a él mostrado en la figura 55.

143

Page 144: Tesis

Después utilizando la ecuación 5, se obtienen los valores de

impedancias de los mencionados sistemas externos (Ver cuadro 28).

Figura 55: Diagrama equivalente. Fuente: AutoCAD.

Cuadro 28: Impedancias de los sistemas externos.

Impedancias Valor en ohm

Xse1 2

Xse2 2.15

Xse3 2.31

Xse4 2.68

Fuente: Calculo del investigador.

Se procede a llevar los valores de cada impedancia a una base común,

para esto se requiere de las siguientes ecuaciones:

Donde:

144

Zpu (basenueva )=Zpu (base vieja )∗( VbaseviejaVbase nueva )2

∗( SbasenuevaSbase vieja ) Ec. 6

Page 145: Tesis

Zpu (base nueva)= Impedancia en la base nueva.

Zpu( base vieja)= Impedancia de base vieja o relacionada a otra base.

V base vieja= Voltaje de la base vieja.

V base nueva= Voltaje que tiene el elemento referido a la nueva base.

S base nueva= potencia que tiene el elemento referida a la nueva base.

S base vieja= potencia que tiene el elemento referida a la base vieja.

Dónde:

ZL (base nueva)= impedancia de la línea referida a la base nueva.

ZL (base vieja)= impedancia de la línea referida a la base vieja.

Zbase= impedancia de la base tomada.

Tras el uso de estas ecuaciones se obtienen los valores en por unidad,

referidos a una sola base, mencionada anteriormente. Los resultados de

dicho cálculo se muestran en el cuadro 29.

Cuadro 29: Impedancias referidas a la base nueva.

Equipo o línea Símbolo Impedancia en p.u

Generadores Xg11, Xg12 0.05

Transformadores Xt1, Xt2 0.03

Trans. Distribucion Xd 0.34

San Diego Xsd1, Xsd2 0.023

Carabobo Xc1, Xc2 0.00269

Valencia Xv 0.0277

Planta del este Xpe 0.0109

Fuente: Cálculo del investigador.

145

ZL (base nueva)=ZL(base vieja)Zbase

Ec. 7

Page 146: Tesis

Luego se procede a llevar los valores de los sistemas externos a la base

común utilizada, esto a través de la ecuación 7. En el cuadro 30 se muestran

los resultado de dicho cálculo.

Cuadro 30: Impedancias de los sistemas externos en por unidad.

Impedancias Valor en p.u

Xse1 0.014

Xse2 0.016

Xse3 0.0175

Xse4 0.02

Fuente: Cálculo del investigador.

Después de obtener los valores referidos a una sola base, se procede a

calcular las corrientes que llegan y salen de la barra, por el método de

corriente de Kirchhoff.

Después de dicho cálculo se obtienen los valores de corriente en por

unidad, las cuales se muestran en el cuadro 31. Esto con ayuda del circuito

equivalente mostrado en la figura 56.

Figura 56: Circuito equivalente. Fuente: AutoCAD.

146

Page 147: Tesis

Cuadro 31: Corrientes en por unidad.

Corrientes Valor en p.u

I11 12.5

I12 12.5

I2 2.54

I3 0.56

I4 0.81

I5 0.303

I6 0.467

Fuente: Ley de corriente de Kirchhoff.

Luego para obtener el valor real de estas corrientes, o su valor en

amperios, se requiere de la siguiente ecuación:

Ec. 8

Dónde:

Ipu=Es la corriente por unidad;

Ireal=Es la corriente real del sistema;

Ibase=Es la corriente que depende de las bases tomadas en principio.

Tomando en cuenta que la Ibase es la siguiente:

147

Ipu= IrealIbase

Ibase= 100MVA

√3∗115 KV=502.04 A

Ibase=502.04 A3

=167.3 A

Page 148: Tesis

Se tiene que las corrientes en el sistema por unidad serán multiplicadas

por la corriente base y se obtendrán las corrientes reales del sistema de

potencia analizado. Ver cuadro 32. Terminando así con el cálculo de los

valores prefalla.

Cuadro 32: Corrientes reales del sistema.

Corrientes Valor real

I11 6275.5 A

I12 6275.5 A

I2 425.04 A

I3 93.71 A

I4 135.54 A

I5 50.75 A

I6 78.14 A

Fuente: Análisis del sistema de potencia.

A continuación se realiza la segunda parte del cálculo, simulación de una

falla en la barra de 115KV de la S/E Pedro Camejo, para encontrar la

corriente de cortocircuito que caracteriza a dicha barra. En la figura 57 se

muestra como queda el sistema analizado con la falla mencionada (F).

Figura 57: Diagrama de simulación de la falla F en la barra 115KV.

148

Page 149: Tesis

Al momento de la falla, el voltaje en la barra se hace cero, característica

esencial de los cortocircuitos.

La corriente de falla, es la suma de todas las corrientes que contribuyen

a la barra cortocircuitada, y viene dada por la siguiente expresión:

Ec. 9

Dónde:

IF= Corriente de falla.

Cu= Contribuciones de las corrientes en por unidad.

Dichas contribuciones dependerán de los circuitos equivalentes de cada

una de ellas al momento de la falla, en la figura 58 se muestran cada uno de

ellos.

Figura 58: Circuitos equivalentes al momento de la falla. Fuente: AutoCAD.

149

IF=∑i=0

n

Cu( pu)

Page 150: Tesis

Con estos datos mostrado y los circuitos equivalentes al momento de la

fallas, se obtiene las contribuciones en ese preciso instante de cada una de

las partes involucradas o conectadas. En el cuadro 33 se muestran dichas

contribuciones.

Cuadro 33: Contribuciones de cada parte involucrada al momento de la falla.

Contribuciones Valor en p.u

Icg11 Icg12 25

Icsd 39.21

Icc 58.47

Icv 22.12

Icpe 32.36

Fuente: Cálculo del investigador.

Luego con la ayuda de la ecuación 8 se obtienen los valores reales de

dichas contribuciones (Ver cuadro 34).

Cuadro 34: Corrientes de contribución en valores reales.

Corrientes Valor real

Icg11 Icg12 4183.50 A

Icsd 6561.40 A

Icc 9784.36 A

Icv 3701.56 A

Icpe 5414.12 A

Fuente: Análisis del sistema de potencia.

Para finalizar el cálculo de cortocircuito trifásico en la barra de 115KV de

la S/E Pedro Camejo, se obtiene la corriente de falla utilizando la ecuación 9.

Donde se suman todos los valores de las contribuciones de los sistemas

externos y de las corrientes encontradas en el cálculo de prefalla.

150

Page 151: Tesis

Obteniendo la corriente en el punto de falla con la suma de las dos

corriente mostradas.

Así como también la potencia de la falla con ayuda del voltaje del

sistema.

Como resultado del cálculo, se puede mencionar que estos valores

sirven para verificar los ajustes del nuevo esquema a instalar, ya que los

mismos dependen del nivel de cortocircuito de la barra en estudio, para así

poder funcionar correctamente.

Esta capacidad de cortocircuito trifásico calculada en la barra, rige todos

los parámetros del esquema de protección y del interruptor asociado a las

líneas, ya que su trabajo es actuar o accionar al momento de una falla, y

dicha falla tendría unos niveles máximos o pico, los cuales son en este caso

SK” y IF.

Continuando con el análisis de los parámetros obtenidos mediante el

diagnostico, al observar las estadísticas de fallas, se tiene que para el

151

IFprefalla=781.47 A

SK=115KV*35.8K

IFfalla=35061.49 A

IF=35842.96 A

SK=4121.83MV

Page 152: Tesis

periodo que abarca los años 2013 y 2014; se presentaron una gran

cantidades de dichas irregularidades. Las mismas relacionadas todas con la

S/E Pedro Camejo.

Al momento de una falla en cualquier parte del sistema eléctrico

nacional, las protecciones ubicadas más cercana a ella, la aísla de una forma

rápida o instantánea dependiendo el tipo de falla. Para ello existen unos

ajustes o características de las protecciones que limitan el tiempo de

operación de la misma.

En el caso en estudio se consideraron para la estadística de falla todas

las que hicieron accionar la protección LZ32 ubicada en la S/E Pedro

Camejo, la cual se encarga de supervisar el enlace que hiciste entre dicha

S/E y la S/E Carabobo.

Analizar las estadísticas consisten en extraer por qué esta protección

accionó, en cuanto tiempo lo hizo, si debía actuar o no y en caso de actuar

en qué etapa de operación se ubicó la falla.

La frecuencia con que ocurrió una falla durante el periodo 2013-2014, se

muestran en el cuadro 35.

Cuadro 35: Frecuencia de fallas.

Numero de fallas Meses Promedio por mes

61 24 2.5≈3

Fuente: Estadísticas de fallas expuestas en el diagnóstico.

Este cuadro refleja un resultado de que dicha frecuencia de fallas, es de

tres fallas por cada mes, teniendo un pico en los meses de enero, febrero y

marzo del año 2013, donde ocurrieron nueve fallas por mes.

De este promedio se extrae que el esquema de protecciones actual solo

llego a aislar el 30 % de ellas, debido a que se encontraban fuera de sus

zonas de operación según su curva característica, o también gracias a que el

desgaste de este equipo electromecánico ocasiona que sus partes no

152

Page 153: Tesis

funcionen como deberían y por ende no acciona o no opera cuando es

debido.

Siguiendo con el análisis, se tiene que para la escogencia de los nuevos

equipos de protección se pasa por un estudio de las fallas que se presentan

en las líneas de transmisión, donde su mayoría son protegidas por relé de

distancia, el cual opera por zonas especificadas, dependiendo el modelo del

mismo.

Es preciso entonces mencionar que para las protecciones de líneas de

transmisión se consideran los siguientes factores:

1. Características básicas: confiabilidad, selectividad y coordinación,

sensibilidad, velocidad de despeje, simplicidad, respaldo.

2. Importancia y función de la línea: basada en nivel de voltaje, longitud

de la línea, conexión a grandes centros de generación, flujos de carga,

estabilidad.

3. Factores de sistema: requerimientos de tiempos de despeje, tamaño

de la fuente, longitud de la línea, configuración de la línea.

4. Comunicaciones: interface con equipos de tono, onda portadora,

microondas, fibra óptica.

5. Nuevas tecnologías.

6. Compromisos del esquema de protección: por ejemplo entre

dependabilidad y seguridad, confiabilidad y costo.

Uno de los requerimientos de los sistemas de protección que cobra

mayor importancia a mayores niveles de tensión es la selectividad, en

adición a la velocidad de despeje de falla; y ésta no puede ser lograda con

relés de sobrecorriente, aun cuando se disponga de relés de sobrecorriente

de alto ajuste y de gran velocidad. Es por esto que los de distancia y su

principio de operación, cobran importancia.

153

Page 154: Tesis

Factores que influyen en la impedancia vista por el relé de distancia

La impedancia medida por un relé de distancia, y por ende su alcance,

puede estar afectada por varios factores propios del sistema, entre los cuales

se mencionan:

1. Errores de los TC´s y TT´s, especialmente durante las fallas

Imprecisiones en los valores de la impedancia de la línea.

2. Errores propios de los relés.

3. Efecto de fuente intermedia o efecto infeed.

4. Efecto del ángulo de transferencia de potencia.

5. Acoplamiento mutuo entre fases y entre líneas paralelas.

6. Efecto de impedancia de falla.

7. Asimetrías de la impedancia de línea por falta de transposición.

8. Efecto de la impedancia fuente y su variación durante operación.

Según la característica de operación del relé, opera cuando la

impedancia vista por el relé se encuentra dentro de la característica, que en

el caso más simple es un círculo con centro en el origen del plano de

coordenadas R-X, pudiendo también ser una característica mho,

cuadrilateral, entre otras.

La característica de operación del relé se puede determinar

considerando las ecuaciones de las fuerzas que actúan sobre la estructura.

El relé opera o produce disparo cuando la fuerza de operación es mayor o

igual a la fuerza de restricción.

Fuerza de operación =(K ¿¿0∗I r)2¿

Fuerza de restricción =(K r∗V r)2

El relé dispara si= (K ¿¿0∗I r)2≥ ¿ (K r∗V r)

2

Ko y Kr son constantes de proporcionalidad.

154

Page 155: Tesis

De la condición de disparo se obtiene la impedancia vista por el relé, ver

figura 59. Siendo el área en amarillo la zona de operación del relé, o zona trip

(zona de disparo).

Figura 59: Impedancia vista por el relé de distancia. Fuente: AutoCAD.

Entonces las características de las fallas, pueden ser inductivas o

resistivas, en lo que refiere a fallas en líneas de trasmisión, las fallas

generalmente son altamente resistivas.

La característica de falla de una línea se representa en el plano R-X, y se

define como la impedancia vista en el lado secundario de los

transformadores de corriente y de tensión de la línea fallada. La posición de

la falla puede variar desde el punto de ubicación del relé hasta el punto de

alcance seleccionado a lo largo de la línea. La falla puede ser sólida o con

resistencia de arco. En este último caso, el relé puede presentar problemas

para detectar la falla.

Las líneas pueden ser:

155

Page 156: Tesis

1. Fuente en un extremo.

2. Fuente en ambos extremos, con flujo de potencia de A hacia B.

3. Fuente en ambos extremos, con flujo de potencia de B hacia A.

En el caso en estudio se tiene unas líneas paralelas con flujo de A hacia

B, siendo A la S/E Pedro Camejo y B la S/E Carabobo (Ver figura 60).

Quedando la característica de falla como un cuadrilátero o poligonalmente en

el plano (Ver figura 58).

Figura 60: Líneas paralelas con flujo de A hacia B. Fuente: AutoCAD.

Figura 61: Característica de una falla resistiva. Fuente: Flores (2015).

Al compararla con las curvas de la actual protección la cual es de

característica mho, se obtiene que al momento de una falla altamente

156

Page 157: Tesis

resistiva, que es lo más común, no opera ya que la falla se encuentra fuera

de la zona de disparo.

También es posible que si la falla es resistiva pero su nivel de resistencia

no es tan alto el relé con característica mho la detecte pero en su zona de

operación con más retardo es decir la Z4, lo que origina que las demás

protecciones disparen y se deje fuera de servicio muchos componentes en la

S/E, tomando en cuenta que lo ideal es que actué instantáneamente. Esta

comparación puede verse en la figura 62.

Figura 62: Comparación de la característica de falla resistiva, con el relé de curva de operación tipo mho.

De manera contraria la curva características del relé de distancia marca

siemens es cuadrilateral (Ver figura 63), que al momento de compararla, se

obtienen un resultado positivo ya que cubre totalmente la fallas comunes,

como lo son las resistivas.

157

Page 158: Tesis

Figura 63: Curva cuadrilateral característica del relé de distancia. Fuente: Flores (2015).

La zona de operación abarca por completo toda la zona que caracteriza

a una falla altamente resistiva, es decir, la operación de dicho relé sería

positiva, al compararla con el relé de característica mho tenemos que la

cuadrilateral abarca más espacio hacia la parte resistiva y depende el ajuste,

la parte inductiva (Ver figura 64).

Figura 64: Comparación de una curva mho con una cuadrilateral. Fuente: Flores (2015).

158

Page 159: Tesis

Entonces al colocar la curva característica del relé de marca Siemens

modelo 7SA522, con una falla altamente resistiva, se tiene que esta entra

totalmente en sus zonas de operación, por esta razón y por las recientes

comparación se selecciona este modelo de relé de distancia como protección

principal del nuevo esquema a implementar (Ver figura 65).

Figura 65: Comparación de curva cuadrilateral con la característica de falla resistiva.

Siguiendo con el análisis es preciso decir que para el reemplazo de los

equipos se cuenta con dos relés numéricos, uno de distancia para la

protección principal y otro de sobrecorriente direccional para la protección de

respaldo.

El relé de protección principal es de marca siemens, definido como

elemento de distancia, identificado como 7SA522, tiene como característica

principal su curva de operación cuadrilateral. Otras características se

muestran en el cuadro 36.

159

Page 160: Tesis

Cuadro 36: Características del relé de distancia Siemens.

Características principal del relé de distancia

1. Una ventaja de las protecciones de distancia digitales es que incluye

una función de localizador de fallas.

2. Tiempos de disparo ajustables para determinar la selectividad y

sensibilidad de la protección frente a fallas.

3. Almacenan información de fallas y eventos presentes en el sistema.

4. Puertos periféricos para comunicación con centro de control y

sistemas de gestión de protecciones.

5. Distorsión de la señal no causa retardos o mala operación.

Fuente: Manuela Siprotec.

Como protección de respaldo se tiene un rele de sobrecorriente

dirreccional marca siemens, identificado como 7SJ64, su funcionamiento se

basa en localizar sobrecorrientes que afecten al sistema y lograr especificar

la dirección de la anormalidad.

Para formar el esquema se unen los dos rele en un solo tablero de

protección, esto da pie a la reingeniería de detalle, ya que se tiene dos

esquemas distinto, regidos por sus planos o diagramas unifilares, y se

quieren unir en uno solo esquema, el cual será el implementado para las

líneas que se desean proteger.

Estas modificaciones dejaron un solo conjunto de planos, es la principal

herramienta para el proceso de reemplazo, armado, pruebas y puesta en

servicio, de los esquemas de protección (Ver anexo D).

Cabe destacar que solo se muestran los planos de un tablero, ya que el del

segundo tablero seria exactamente igual pero con puntos de conexiones en

160

Page 161: Tesis

patio distinto.

Fase III: Evaluación la factibilidad Técnica-Económica de la

implementación de las protecciones numéricas en las líneas Carabobo I

y Carabobo II.

En esta fase se determinó la factibilidad de la instalación de las

protecciones numéricas en las líneas Carabobo I y Carabobo II, para esto se

consideraron las factibilidades técnicas y operativas, debido a las

características de la empresa.

Por otro lado se deben considerar que la implementación de los equipos

de protección, significaría una reducción en las consecuencias de las

interrupciones del servicio eléctrico, traduciéndose esto en un ahorro del

factor económico de la empresa, así como la reducción de los tiempo de

interrupción, es decir, que se incrementaría la facturación del servicio.

Cabe destacar que gracias a la implementación, se logra una

selectividad en el sistema, lo cual tiene como beneficio no perder potencia en

el mismo, ya que se despejaría una falla a tiempo, no dejando que en la

planta de generación se sienta la falla y poder seguir entregando potencia al

sistema.

Para realizar una relación costo-beneficio entre la inversión y los

posibles incrementos en facturación o la disminución del tiempo de

interrupción, se tomaron en cuenta los diferentes factores, variables y

características, como precio, especificaciones técnicas y disponibilidad; se

calculó el ahorro en mantenimiento preventivo y correctivo, mostrando las

ventajas para la empresa.

Factibilidad operativa

Se relaciona con la disponibilidad que tiene la empresa, del personal

capacitado que se requiere para llevar a cabo el proyecto de instalación de

161

Page 162: Tesis

las protecciones indicadas anteriormente, y la existencia de usuarios finales

dispuestos a emplear los servicios generados por el proyecto desarrollado.

Dentro del mismo contexto, en Venezuela, el Estado se ha reservado

todas las áreas del servicio eléctrico, es decir, solamente el Estado está

facultado para la generación, transmisión, distribución y comercialización del

servicio eléctrico residencial, comercial e industrial, lo cual realiza a través de

la empresa Corpoelec, la cual cuenta con toda una estructura de recursos

humanos para tal fin, contando con el personal para todos los segmentos de

la implementación, desde la verificación técnica de especificaciones hasta el

personal de campo para realizar la instalación.

Por otra parte, al ser la empresa la única proveedora del servicio, los

usuarios finales se convierten en potenciales clientes de la implementación

que se propone, lo cual permite decir que desde el punto de vista operativo,

se evidencia la factibilidad de dicha instalación resultando en un beneficio

para los usuarios finales quienes tendrían la ventaja de contar con un tiempo

mínimo de interrupciones en el servicio.

Factibilidad Técnica o Tecnológica

Esta se relaciona con la disponibilidad de los conocimientos y

habilidades en el manejo de métodos, procedimientos y funciones requeridas

para el desarrollo de la implementación del proyecto del cambio de

protecciones. Además, se debe analizar si se dispone de los equipos y

herramientas para ejecutarlo.

En este contexto, debe mencionarse que la empresa como única

compañía comercializadora del servicio cuenta con personal altamente

calificado para la evaluación del proyecto propuesto, y conducir su ejecución

con personal propio de la empresa sin la necesidad de contratación de

personal externo adicional, o servicios especializados para los propósitos

planteados.

162

Page 163: Tesis

También, cuenta con las herramientas y equipos necesarios para

emprender un proyecto de la envergadura del que se plantea, por lo que la

instalación puede hacerse con las personas que conforman el departamento

de protecciones con ayuda de algunas cuadrillas de mantenimiento,

programándose dentro de las operaciones regulares de la empresa. En vista

de lo propuesto se verifica que desde el punto de vista operativo, la

propuesta es completamente factible y no se evidencian impedimentos para

su implementación.

Factibilidad Económica

La factibilidad económica de un proyecto o propuesta se refiere a la

disponibilidad del capital en efectivo o de los créditos de financiamiento

necesarios para invertir en el desarrollo del proyecto, así como la

comprobación de las ventajas que representan para la empresa la

implementación.

Para esto, debe calcularse si los beneficio que se espera se deriven de

la instalación de los esquemas de protección, son superiores a los costos

que se incurrirán al desarrollar e implementar la propuesta.

Deben considerarse los beneficios intangibles y cualitativos que se

derivan de un servicio con menos tiempo de interrupciones, los cuales son

difíciles de medir, pues involucran valores subjetivos, como la percepción de

calidad o satisfacción por parte de los usuarios finales.

Los estudios de factibilidad económica incluyen análisis de costos y

beneficios asociados con la inversión para ejecutar el proyecto, los cuales

pueden ser cuantificados en términos monetarios establecidos la diferencia

de los costos en que se incurren versus los ingresos que pudieran derivarse

de la reducción de las interrupciones, por lo tanto el aumento de facturación

de la empresa.

En este sentido, se reconoce un beneficio económico social que se

manifiesta de la mejora en imagen para la empresa, que proviene de ofrecer

163

Page 164: Tesis

un servicio más confiable y continuo, con menos interrupciones así con la

reducción en horas hombres que deben emplearse para el restablecimiento

del servicio en los casos de las interrupciones.

Por lo tanto, pudiera decirse que tan solo estas consideraciones

pudieran elevar la factibilidad económica del proyecto pues el beneficio social

para una empresa del Estado, única proveedora del servicio, sobrepasa las

consideraciones económicas o el costo-beneficio.

No obstante, para lograr establecer una propuesta más comprensiva, en

la que se consideran, todos los aspectos involucrados, se realizan los

siguientes cálculos para establecer una relación costo-beneficio desde el

punto de vista financiero.

Primero se hace el cálculo del precio que implicaría instalar las

protecciones, tomando en cuenta el costo de los equipos de protección y los

materiales utilizados.

En el cuadro 37 se pueden observar el precio de los equipos propuesto

para instalarse.

Cabe destacar que la mano de obra no pasa por costo de la

implementación, ya que los trabajos que la misma generó, son de sus

operaciones diarias o están enmarcados en sus funciones laborales.

Se calcula ahora el beneficio para la empresa en función de la

disminución de las interrupciones que involucren la perdida de facturación, la

forma de facturación de Corpoelec es por los vatios o energía que se

consume por hora, es decir, en el caso de la propuesta se estudia la cantidad

de megavatios (MW) que se dejan de suministras o distribuir, para esto se

utilizaron las estadísticas de fallas expuestas en el diagnóstico, las cuales

nos dicen cuál es el promedio de las interrupciones en los años 2013 y 2014,

donde quedaron fuera de servicios las unidades generadoras, de la planta de

generación de energía Pedro Camejo.

Al quedar fuera de servicio las unidades mencionadas, se dejan de

suministrar al sistema unos 300 MW de potencia, los cuales se notarían en la

164

Page 165: Tesis

facturación de la empresa, ya que las empresas adyacentes se quedarían sin

energía. Al multiplicar estos MW por las horas que quedan fuera de servicio

tendremos cuanto influye en dicha facturación.

Cuadro 37: Costo de los equipos.

Equipo Cantidad Precio en dólares

($)

Tasa cambiaria

para empresas del Estado

Precio en bolívares

(Bs)

Relé de Distancia,

marca Siemens

2 18614 6,3 Bs 234536.4

Relé de sobrecorriente, marca Siemens

2 11273 6,3 Bs 142039.8

Resto de los componentes

del tablero

3489 6,3 Bs 21980.7

Materiales utilizados

7435

Total 405991.9

En el cuadro 38 se muestra la tarifa de cobro de la empresa a nivel

industrial.

Cuadro 38: Tasa de cobro de Corpoelec a nivel industrial.

Unidad Valor

KW/h 0.2517 Bs

Fuente: Corpoelec.

165

Page 166: Tesis

En el cuadro 39 puede observar el promedio del tiempo de las fallas en

2013 y 2014, se obtuvo de las fallas mencionadas en el diagnóstico,

sumando el tiempo de las fallas y dividiéndolos por los meses del año.

Cuadro 39: Promedio de horas de las fallas.

Años Horas

2013 y 2014 8,05

Fuente: Estadísticas de fallas Pedro Camejo.

Esto se traduce entonces con el costo de los KW/h en lo mostrado en el

cuadro 40.

Cuadro 40: Cálculo de lo dejado de facturar por el tiempo sin suministrar energía.

Horas Energía Factor por KW/h Precio dejado

de facturar

8.05 300MW 0.2517 Bs 1208915.1 Bs

A pesar de los subsidios del Estado con la empresa, se tiene como

resultado que el monto dejado de facturar es mayor al costo de la

implementación. Esto puede verse en el cuadro 41.

Cuadro 41: Comparación de inversión y facturación.

Monto dejado de facturar 1208915.1 Bs

Costo de la implementación 405991.9 Bs

Al implementar los equipos de protección este monto dejado de facturar

seria parte de la ganancia de la empresa, es decir, sería el beneficio que

dejaría la instalación de los equipos de protección.

Al realizar plantear la relación costo beneficio tendremos lo que se

muestra en el cuadro 42.

166

Page 167: Tesis

Cuadro 42: Beneficio de la empresa.

Beneficio 1208915.1 – 405991.9 = 802923.2 Bs.

Por este resultado la propuesta se considera viable en lo que respecta a

la factibilidad económica, ya que el beneficio es mayor al costo de

instalación. Esto trae consigo disminuir el tiempo de interrupción y por su

puesto al ser una protección más selectiva que la actual, no dejaría que una

situación a normal (falla), se colara hacia los generadores.

Otra forma de decir que es factible, es la recuperación de la inversión en

un tiempo inmediato debido a la disminución de las consecuencias de las

fallas.

Fase IV: Implementación de Protecciones Numéricos, mediante el

Cambio de Ingeniería y Equipos para adecuar los Esquemas a las

Nuevas Tecnologías en las líneas Carabobo I y II de las Subestaciones

Carabobo Y Pedro Camejo.

Después de tener la configuración de los esquemas nuevos de

protecciones se procede a implementar los mismos, para lograr esto se

requiere tres pasos a seguir como lo son:

1. Levantamiento del cableado de lo que se tiene antes del cambio de

protecciones, para saber dónde conectar las señales de los equipos a

proteger.

2. Ajustar los esquemas de protecciones a los parámetros conseguidos

en el diagnóstico y analizados posteriormente. Dichos ajustes se le

transmiten a los relés de protección que conforman el esquema a

través de su software llamado DIGSI.

167

Page 168: Tesis

3. Por último se hacen las pruebas de aceptación las cuales con la

ayuda de una caja de prueba, consisten en inyectar corrientes y

tensiones al esquema para simular su funcionamiento una vez

instalado.

Después de hacer el procedimiento mencionado, se conecta el esquema

al sistema dejándolo en funcionamiento, midiendo, controlando y

supervisando los parámetros, en este caso las líneas Carabobo 1 y

Carabobo 2.

Se inicia el procedimiento nombrado con el levantamiento del cableado

el mismo fue tomado del sitio en estudio, y con la ayuda del programa Excel

se muestran como están conectadas las señales del sistema a proteger.

En la figura 66 se comienza mostrando el levantamiento con las

conexiones de las corrientes que alimentan el tablero, y mostrando donde

quedaran en el tablero nuevo.

Figura 66: levantamiento del cableado, borneras B50.

168

Page 169: Tesis

En la figura 67 y 68 se muestran las borneras donde llegan los voltajes

provenientes del patio y algunas señales de disparos que se mandan hacia

los interruptores.

Figura 67: Levantamiento del cableado, alimentación de voltaje.

Figura 68: levantamiento del cableado, disparos.

169

Page 170: Tesis

En las figuras 69 y 70 se muestra el levantamiento de las alarmas mayor

y menor, asi como tambien la señal de apertura de los interruptores

principales y de transferencia.

Figura 69: Levantamiento del cableado, alarmas y señal de apertura.

Figura 70: Levantamiento del cableado, alarmas.

170

Page 171: Tesis

Del levantamiento se determinó la falta de algunos cables que van desde

el tablero de protección hasta el mando de la S/E, es decir, que son

requeridos los cables que se muestran en el cuadro 43 para poder conectar

los nuevos esquemas.

Cuadro 43: Cables requeridos entre tablero de protección y mando.Numero Descripción

1 Orden de cierre manual interruptor de transferencia

2 Circuito de cierre interruptor de transferencia

3 Posición abierto interruptor de transferencia para pp (luego

hacer cocido entre tableros)

4 Posición cerrado interruptor de transferencia para pp (luego

hacer cocido entre tableros)

5 Posición abierto interruptor de transferencia para ps (luego

hacer cocido entre tableros)

6 Posición cerrado interruptor de transferencia para ps (luego

hacer cocido entre tableros)

Fuente: Levantamiento S/E Pedro Camejo.

Los tableros de protección asociados a todas las líneas de la S/E Pedro

Camejo, no se encuentran comunicados o conectados entre sí, lo cual

debería ser una de las características de ellos ya que necesitan estar

interconectados para recibir señales de disparos comunes al mismo tiempo.

En las figuras 71 y 72 se muestran las conexiones comunes hechas para

poder tener comunicación de todos los tableros actuales, con las señales de

disparo del nuevo equipo de protección.

Uniendo así las señales de las diferenciales de barra, las protecciones

de los transformadores, los generadores y las protecciones de cada salida de

línea.

171

Page 172: Tesis

Figura 71: Conductores comunes entre tableros de protección.

Figura 72: Conductores comunes entre tableros de protección.

172

Page 173: Tesis

Cabe destacar que gracias a las modificaciones hechas en la fase dos,

donde se adaptaron las dos configuraciones de los relés en cuestión, a un

solo esquema de protección, se lograron modificar algunos cables, para que

las señales sean las correctas según el plano del esquema nuevo, algunas

de estas modificaciones pueden verse en las figuras 73, 74 y 75.

Figura 73: Modificaciones, cierre del interruptor.

Figura 74: Modificaciones, voltajes y corrientes.

173

Page 174: Tesis

Figura 75: Modificaciones, alarma.

Continuando con los pasos requeridos para la implementación de los

nuevos esquemas de protección, se muestran los ajustes que fueron

colocados a los relés que conforman el esquema de protección nuevo.

Ajustes

Cuadro 44: Protección principal.Protección Principal

Marca Siemens

Modelo 7SA522

Versión 4.70.07

Fuente: Relé Siemens

174

Page 175: Tesis

Cuadro 45: Protección secundaria.Protección Secundaria

Marca Siemens

Modelo 7SJ64

Versión 4.70.07

Fuente: Relé Siemens

Después de conocer estos detalles se muestran en la figura 76, dichos

ajustes calculados con la ayuda del programa Excel.

Figura 76: Ajustes del esquema de protección.

175

Page 176: Tesis

Asi como tambien puede verse en la figura 77 los calculos de los ajustes

por zona de operación del rele de distancia.

Figura 77: Cálculos de ajuste por zonas.

Para concluir con los pasos para realizar la implementación se procede a

hacer las pruebas de aceptación del esquema de protección, dichas pruebas

se hacen en vacío, es decir, desconectado el sistema.

Para estas pruebas se utilizó la caja de pruebas marca Omicron (Ver

figura 78), la cual se conecta con el equipo de prueba en los puntos de

borneras indicados en el cuadro 46.

Esta equipo de prueba simula con sus pruebas cortas, pruebas largas y

la prueba de búsqueda; un punto de falla en cada zona de operación,

determinando si el relé dispara o no, y mostrando en grafica donde

176

Page 177: Tesis

exactamente es la ubicación de los puntos, esto con la curva característica

del relé.

Figura 78: Equipo de prueba Omicron.

Cuadro 46: Conexión del equipo de prueba con el esquema de protección.

Parámetro Bornera

Corriente fase R X011:1

Corriente fase S X011:3

Corriente fase T X011:5

Corriente Neutro X011:7

Voltaje fase R X033:1

Voltaje fase S X033:3

Voltaje fase T X033:5

Voltaje Neutro X033:7

Disparo + X042:2

Disparo - X042:13

Fuente: Pruebas funcionales.

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El resultados de las pruebas se muestra en un informe generado por el

equipo de prueba, este informe puede verse en el anexo E.

Cabe destacar que al finalizar los pasos a seguir mencionados

anteriormente, se logró instalar los esquemas de protección, quedando en

servicio, conectados al sistema; midiendo, controlando y supervisando las

líneas en estudio. Varias imágenes donde se muestra la instalación y el

esquema en servicio se muestran en el anexo F.

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Page 179: Tesis

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

El desarrollo de esta investigación y ejecución, se basó en el cambio de

equipo de protecciones eléctricas en la subestación Pedro Camejo de

Corpoelec, específicamente en las líneas Carabobo I y Carabobo II, enlace

que une dicha subestación con su homónima ubicada a unos cuantos metros

llamada subestación Carabobo.

Dicha investigación tiene como fin, disminuir el número de interrupciones

en esa parte del sistema, lograr que las protecciones sean más selectivas, al

momento de una anormalidad aislarla de manera de no afectar la generación

que forma parte de la subestación Pedro Camejo, y así no afectar el sistema;

y adaptar a las nuevas tecnologías los esquemas de protecciones, ya que las

anormalidades o fallas que se presentaban antes de la implementación del

esquema no lograban captarlas y era perjudicial para el sistema. Luego de

realizar dicha investigación y de ejecutar los cambios de equipos, se puede

concluir lo siguiente:

Del primer objetivo específico que abarca, el diagnóstico de la situación

actual que presentan los esquemas de protección en las líneas Carabobo I y

Carabobo II, enlace que une a las subestaciones Carabobo y Pedro Camejo;

se puede decir que dichas protecciones compuestas por un esquema

diferencial de hilo piloto como protección principal, y un esquema de

protección a distancia como protección de respaldo; se encontraban en no

muy buenas condiciones, el diferencial hilo piloto, estaba fuera de servicio

por falta del sistema de comunicación, y la protección de respaldo, una

protección de tipo electromecánica, de curva tipo mho, no estaba cumpliendo

con las características para las que fue instalada. No era una protección

segura ni selectiva, estudiando las estadísticas de fallas, se observó que el

porcentaje de actuación cuando se ocurre una de estas anormalidades es

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muy bajo.

También se pudo extraer como está compuesta la subestación Pedro

Camejo, que debido a la generación que forma parte de la misma, es

esencial para el sistema eléctrico nacional.

Las cargas que la subestación en estudio posee, forman un conjunto

industrial muy importante en el desarrollo productivo de la zona industrial de

Carabobo.

Unas de las cosas más influyentes para el cambio de equipos que se

encontró en el diagnóstico, fue la estadística de fallas de los generadores

termoeléctricos de la subestación en estudio, los mismos habían fallado

muchas veces por falta de selectividad u operación de los esquemas de

protección que se encontraba en el enlace en estudio.

En función al segundo objetivo de analizar los parámetros obtenidos

calculando los niveles de cortocircuito para el diseño de la nueva ingeniería

de detalle en el enlace en estudio; vale la pena mencionar que este objetivo

permitió analizar, con ayuda de los cálculos de cortocircuito, que

requerimientos eran necesarios para poder hacer el cambio de equipos de

protecciones.

Con el cálculo se obtuvo el nivel de cortocircuito actual en la subestación

Pedro Camejo, el mismo sirvió para poder diseñar los esquemas y poder

saber el nivel de los ajustes a colocar en las protecciones nuevas a

implementar. Para este cálculo se simulo una falla en la barra de 115 KV,

tomando en cuenta los aportes del sistema al momento de la falla,

concluyendo que los aportes llegan a través de las salidas o entradas de

líneas más cercanas, y tomas las conexiones radiales que forman parte de la

subestación, no hacen aportes.

Se analizó cuantas veces acciono en el periodo 2013-2014, la protección

de distancia (LZ32), resultando un muy bajo porcentaje de operación, lo cual

indica que no estaba protegiendo de manera segura y selectiva las líneas; y

también manifestando esto que las fallas no se encuentran en la operación

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del relé.

Para poder escoger una protección útil, fue necesario estudiar los

factores que influyen para la puesta en servicio o cambio de protecciones,

desde características básicas hasta las nuevas tecnologías.

Seguido de esto, observando la curva característica de alas fallas que se

presentan, se obtuvo como resultado que una curva tipo mho no localiza

dentro de su zona de disparo u operación, las fallas típicas que se presentan

en el enlace en estudio; y luego al observar la curva de un relé de distancia

marca siemens, la cual es cuadrilateral, se determina que en un tiempo

instantáneo localiza las mencionadas fallas típicas. Esto pasa porque las

protecciones de distancia operan por zonas, y al comparar las dos

protecciones, se obtiene que para una falla altamente resistiva la cuales son

las más comunes, el relé LZ32 operar en un tiempo de 2 seg en su zona 4, y

el siemens opera en un tiempo instantáneo en su zona 1.

También dentro de este objetivo se diseñó el esquema de protección, es

decir, unión del relé de distancia y sobrecorriente direccional marca siemens,

para así obtener una protección principal y una de respaldo en el mismo

esquema conectadas entre sí.

Con respecto al tercer objetivo de estudiar y evaluar la factibilidad

técnica y económica de la implementación de esquemas de protecciones

numéricas en las líneas en estudio, se puede mencionar que desde el punto

de vista técnico se puede evidenciar que la implementación es factible ya

que la empresa como única compañía comercializadora del servicio eléctrico,

cuenta con el personal calificado para la implementación mencionada. Así

como también cuenta con los equipos y herramientas necesarios para poner

el proyecto en marcha, con sus propios empleados, dentro de las

operaciones del departamento involucrado.

Por otra parte, desde el punto de vista económico, considerando que la

empresa Corpoelec, es la única que genera, trasmite, distribuye y

comercializa la energía eléctrica, se hacen numerosas inversiones para

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mantener en pie el sistema eléctrico. La implementación hace que se

disminuyan las perdidas en cobro del servicio, y así facturar una cantidad

más elevada.

Es por esto que lo que se puede invirtió en la implementación del

proyecto en estudio, se recupera rápidamente al disminuir el número de

interrupciones.

Por último, con relación al cuarto objetivo de ejecutar el cambio de

equipos realizando las pruebas de aceptación para la puesta en servicio de

los nuevos esquemas numéricos de protección en las líneas Carabobo I y

Carabobo II, se puede decir que se realizó el levantamiento del cableado

para poder saber dónde iban conectados todas las señales y parámetros de

los nuevos esquemas, gracias a esto se determinó que hacían faltan unas

modificaciones y agregar algunos cables para poder conectar el relé con los

equipos del sistema, y tener en si todo correctamente cableado al momento

de la puesta en servicio.

Por otra parte se calcularon los ajustes dependiendo los parámetros

obtenidos anteriormente. Esto a través del software DISIP, se le hizo llegar a

los relés de protección.

Dichos ajustes vienen dados por la distancia de la línea y los parámetros

de voltajes y corriente suministrados por los transformadores de medida. Se

ajustaron todas las zonas y los tiempos de actuación del esquema según su

impedancia y demás valores.

Para finalizar se hicieron las pruebas funcionales de la protección,

obteniendo como resultado el buen funcionamiento de las mismas y así estar

listas para la puesta en servicio, estas pruebas fueran hechas con la caja de

prueba OMICRON, la cual es muy fácil de utilizar y muy dinámica al

momento de mostrar resultados.

Por todo lo mencionado se concluye que la implementación de los

nuevos esquemas de protecciones numéricos en las líneas en estudio, es de

gran importancia para el sistema nacional, tomando en cuenta que este es

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interconectado; logrando que las protecciones sean selectivas, y al momento

de una anormalidad no se vea afectada la generación presente en la

subestación Pedro Camejo. Esto logra que el sistema eléctrico sea más

seguro y confiable; y por ende mantenga una continuidad o lo que es lo

mismo; disminuye el número de interrupciones.

Recomendaciones

En función de los hallazgos derivados del estudio, se pueden dar las

siguientes recomendaciones:

Aumentar los mantenimientos en el sistema eléctrico nacional, para así tener

un menor número de interrupciones.

Cambiar todos los equipos de protecciones que tenga más de 20 años de

uso, por las protecciones numéricas, para así mejorar el funcionamiento de

las mismas.

Mantener la política de optimización de equipos y modernización de los

mismos.

Mejorar la rapidez en los permisos de trabajos de mantenimiento, ya que

estos son prioritarios.

Solicitar más personal, para lograr cubrir de manera más efectiva todo el

territorio que deben supervisar y realizar operaciones.

Aumentar la gestión de materiales y transporte para que así las

actividades sean cumplidas a tiempo y no afectar el sistema.

Mantener el alto grado de calidad de trabajo en lo que a protecciones se

refiere específicamente.

Motivar a los trabajadores, con diversas actividades económicas y

recreativas, al final ellos son el motor de la empresa.

Disminuir los tiempos de accionamiento de las protecciones para que hayan

menos consecuencias.

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Buscar más medios de medición y control de los parámetros que forman

partes del sistema, ya que es necesario supervisar los mismos para que sea

más seguro y más confiable.

Invertir más en el departamento de protecciones y mediciones, ya que

para mí es el más importante del sistema nacional.

Realizar cursos y charlas de cómo utilizar los relés, así como también de

automatización y así lograr tener el conocimiento para lograr que el sistema

sea más moderno.

A la universidad, más organización con los tutores y jurados; para

ahorrar tiempo y que los tenistas cumplan con un trabajo aceptable.

Que haya más comunicación entre los profesores adscritos a la escuela

de eléctrica, y así lograr que todos tenga más pensamientos en común que

en contra.

Permitir que los nuevos alumnos al momento de realizar tesis, pueda

obtener las tesis en digital, con su debido control.

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Page 185: Tesis

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