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Protecciones eléctricas de subestaciones de México
Tipo: Apuntes
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¡No te pierdas las partes importantes!
Los sistemas de distribución forman parte del sistema eléctrico de potencia el cual genera, transmite y distribuye la energía eléctrica y es el que esta más próximo a los usuarios. Es de suma importancia para el objeto de nuestro estudio abordar y reafirmar las partes, elementos y características que lo constituyen, esto con el fin de establecer las condiciones necesarias, para situarnos en la parte del sistema eléctrico donde se encuentran operando los sistemas de protección, control y medición.
Los sistemas eléctricos de potencia están constituidos básicamente por tres grandes
grupos.
Sistemas de generación Sistemas de transmisión Sistemas de distribución Los sistemas de distribución a diferencia de los sistemas de generación y transmisión,
interactúan en forma directa con la mayoría de los clientes de energía eléctrica, los cuales
esperan un servicio que satisfaga sus necesidades en todos los aspectos, los sistemas de
distribución como eslabón principal del suministro de energía eléctrica, tiene como función
principal transportar la energía eléctrica de las subestaciones de potencia o fuentes de
generación a los lugares de utilización, este suministro de energía eléctrica debe darse
bajo parámetros de calidad bien definidos, como son voltaje, frecuencia y continuidad. Los
sistemas eléctricos de distribución en nuestro país comprenden básicamente seis partes:
a) Líneas de alta tensión b) Subestaciones de distribución c) Circuitos de media tensión d) Transformadores de distribución e) Circuitos secundarios o de baja tensión f) Acometidas
S.E. DE POTENCIA LINEAS DE ALTA TENSION
SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCION CIRCUITOS DE MEDIA TENSION
ACOMETIDAS A USUARIOS
SECUNDARIO
TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN
Las tensiones utilizadas en los sistemas de distribución y sus límites de operación se pueden agrupar de acuerdo a lo indicado en la tabla 1-1, misma que se muestra a continuación.
Tabla 1.1.- Tensiones en los Sistemas de Distribución
CLASIFICACION DE TENSIÓN
COMPONENTE DEL SISTEMA
TENSIÓN NOMINAL KV PREFERENTE RESTRINGIDA CONGELADA
BAJA TENSIÓN MENOR DE 1 KV
ACOMETIDAS Y CIRCUITOS SECUNDARIOS
MEDIA TENSIÓN MAYOR A 1 KV Y MENOR A 35 KV
CIRCUITOS DE DISTRIBUCIÓN
23
20 ALTA TENSIÓN MAYOR A 35 KV Y MENOR A 230 KV
LINEAS DE ALTA TENSION
69 115
85 138
Este comportamiento se ilustra de manera gráfica en la figura 2
Figura 2 Estadística promedio de éxito para intentos consecutivos de restablecimiento
Como puede observarse, estadísticamente puede concluirse la justificación de un máximo de dos intentos de recierre de manera general, ya que intentos posteriores originarán en su mayoría únicamente esfuerzos innecesarios a los equipos y elementos que conforman el sistema de distribución. por tal razón es necesario establecer de manera particular en cada sistema las políticas correspondientes para el ajuste de los dispositivos de recierre automático, así como de las directrices operativas establecidas para el restablecimiento del servicio en instalaciones afectadas por una falla.
De acuerdo a la naturaleza de las fallas presentadas en los sistemas de distribución existen dos tipos principales de dispositivos de protección, que por su aplicación protegen el sistema de manera mas eficaz contra los dos tipos de falla anteriormente mencionados:
a) Protección contra fallas transitorias.- Para la liberación de este tipo de fallas se requiere disponer de dispositivos que además de originar la desconexión automática del elemento dañado, tengan la capacidad de restablecer de manera automática la tensión eléctrica, después de permitir una pausa para la desionización del arco de falla. Tales dispositivos corresponden fundamentalmente a los restauradores e interruptores asociados con relevadores. b) Protección contra fallas permanentes.- Para la liberación de este tipo de fallas se requiere disponer de dispositivos que únicamente originen la desconexión automática y definitiva del elemento dañado. Tales dispositivos corresponden fundamentalmente a seccionalizadores y fusibles. A este respecto cabe señalar que tanto restauradores como interruptores, también liberan este tipo de fallas después de completar su ciclo prestablecido de restablecimientos y llegar a la posición de bloqueo. Con referencia a los elementos fusibles, mediante cierta implementación de algunos fabricantes, es posible de manera limitada el contar con una característica primitiva de autorestablecimiento (fusibles de triple disparo). Sin embargo este tipo de dispositivos no se considerancomo una protección completa contra fallas transitorias al carecer de la característica de “ reposición automática “, por lo que su comportamiento en cuanto a secuencia operativa se refiere, puede llegara ser impredecible dependiendo de las situaciones de falla a que se haya visto expuesto y a la oportunidad con que se hayan reemplazado los elementos fundidos. c) Protección contra fallas transitorias y permanentes.- Si en un sistema eléctrico todas las fallas fueran de naturaleza permanente (como es elcaso de circuitos subterráneos, transformadores, capacitores, etc.), el empleo de cortacircuitos fusibles de bajo costo como protección de todos los elementos, sería la mejor solución. En caso contrario si la mayoría de las fallas fueran de naturaleza transitoria, únicamente sería necesario la instalación de dispositivos de protección dotados de recierre automático y con capacidad de cubrir completamente al sistema o elemento protegido. Sin embargo en los sistemas convencionales de distribución aéreos, ambos tipos de falla están presentes, por lo que el problema derivado es la selección del dispositivo o combinación de dispositivos adecuados para proporcionar la solución más eficaz en todos los casos.
En base al análisis de cada uno de los factores anteriores se pueden definir las zonas de protección necesarias para cada elemento del sistema de eléctrico.
Las “Zonas de protección” se definen como el área de cobertura de un dispositivo de protección, el cual protege uno o más componentes del sistema eléctrico en cualquier situación anormal o falla que se presente.
Las Zonas de Protección se disponen de manera que se traslapen para que ninguna parte del sistema quede sin protección, la figura 3 muestra el sistema de distribución con las siguientes zonas de protección traslapadas:
Las Zonas de Protección se disponen de manera que se traslapen para que ninguna parte del sistema quede sin protección, la siguiente figura muestra el sistema de distribución con zonas de protección traslapadas.
Figura 3 Zonas de Protección Traslapadas
La figura muestra los equipos de seccionamiento localizados en las conexiones de cada elemento del sistema de potencia, esta previsión hace posible desconectar solo el elemento defectuoso, a veces se omite elementos seccionamiento entre dos elementos adyacentes, en cuyo caso ambos elementos deben desconectarse si hay una falla en cualquiera de los dos. En una zona cada dispositivo de protección realiza una función específica y responde también específica a cierto tipo de cambios en las magnitudes de un circuito en los sitemas de distribución y básicamente en circuitos de mediana y baja tensión, el equipo básico utilizado son dispositivos contra cortocircuito. Estos dispositivos son clasificados en protección primaria y protección de respaldo. La protección primaria es la primera línea de defensa, mientras que la protección de respaldo solo actúa cuando falla la protección primaria, por lo general los sistemas de media y baja tensión son radiales, si bien la tendencia es manejar sistemas mallados con dispositivos automáticos de seccionamiento, en la actualidad se maneja anillos abiertos con seccionamiento. Esto ha permitido que cuando ocurre un cortocircuito en el sistema de distribución la protección primaria y de respaldo inician normalmente su funcionamiento; permitiendo en primera instancia que el elemento en cortocircuito sea librado por la protección primaria sin que la protección de respaldo haya tenido tiempo de completar su función.
Transformador.- Es un dispositivo que transfiere energía de un circuito a otro bajo el principio de inducción electromagnéctica, esto es enlazado los circuitos magnéticamente y aislándolos eléctricamente.
Los transformadores más comúnmente utilizados en una subestación eléctrica se pueden clasificar por el número de devanados, en dos devanados y tres devanados por la regulación, en regulación fija, regulación variable con carga y sin carga, por el tipo de enfriamiento OA sumergido en aceite con radiadores, OA/FA sumergido en aceite con aire forzado en los radiadores. Los transformadores de potencia cuentan con algunas de las protecciones y alarmas siguientes: 63P protección de sobrepresión, 63 protección Buchholz, 49 protección y/o alarma de % de carga térmica, 26 alarma de temperatura de aceite, 71 alarma de nivel de aceite.
Interruptor de Potencia.- Tiene como función principal interrumpir y restablecer la continuidad de un circuito eléctrico en condiciones de carga o cortocircuito. Si al instante de ocurrir el corto circuito el voltaje es máximo se tiene una corriente de corto circuito simétrica y si el corto circuito ocurre en cualquier otro instante se tiene una corriente de corto circuito asimétrica. Los tipos de interruptores de potencia son: Interruptores de gran volumen de aceite, interruptores de bajo volumen de aceite, interruptores neumáticos, interruptores en SF6 e interruptores de vacío.
Banco de Baterías.- Esta constituido por varias baterías interconectadas, para poder suministrar grandes cantidades de corriente durante períodos cortos y además almacenar una determinada cantidad de energía eléctrica, en una subestación eléctrica el banco de baterías proporciona la energía para accionar motores, controles y alumbrado de emergencias cuando no se dispone de servicios propios en forma temporal, las baterías para las barras colectoras de control pueden constar de 12, 14, 60 ó 120 celdas pero lo más común es que usen 60 celdas con un voltaje nominal de 125 volts.
Cortacircuitos Fusibles.- Es un elemento de conexión de circuitos eléctricos, tiene dos funciones: como cuchilla desconectadora, para lo cual se conecta o desconecta y como elemento de protección. El elemento de protección lo constituye el dispositivo fusible que se encuentra dentro del cartucho de conexión y desconexión. El dispositivo fusible se selecciona de acuerdo a la magnitud de corriente que va a pasar a través del mismo y los fabricantes proporcionan las características tiempo – corriente de ruptura para un rango amplio de magnitud de corriente.
N 1 N (^2)
Los elementos fusibles se construyen fundamentalmente de cobre electrolítico con aleación de plata o cobre aleado con estaño.
Cuchilla Desconectadora.- Es un elemento que sirve para desconectar físicamente un circuito eléctrico, por lo general se operan sin carga, pero con algunos aditamentos se puede operar con carga, hasta ciertos límites. Las cuchillas desconectadoras se pueden clasificar por su operación: a) Con carga, b) Sin carga. Por su accionamiento: a) Manual, b) Automático. Características: 1.- Tensión nominal de operación 2.- Corriente Nominal 3.- Corriente de corto circuito 4.- Tipo de montaje 5.- Tipo de accionamiento individual o en grupo.
Apartarrayos.- Es un dispositivo que nos permite proteger las instalaciones eléctricas contra sobretensiones de origen atmosféricos. Las ondas de sobretensión que se presentan durante una descarga atmosférica viajan a la velocidad de la luz y dañan el equipo si no se le tiene protegido correctamente, para lo cual se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos: a) Descargas directas sobre la instalación y b) Descargas Indirectas. Las sobretensiones originadas por descargas atmosféricas se deben a que se almacenan sobre las líneas cargas electrostáticas que al ocurrir la descarga se parten en dos y viajan en ambos sentidos de la línea a la velocidad de la luz estableciendo la onda de sobretensión que el apartarrayo deberá cortar y descargar a tierra, la tensión a que operan los apartarrayos se conoce técnicamente como tensión de cebado.
Tableros de control.- Son los módulos, secciones, gabinetes o paneles que contienen o soportan a los equipos de protección, control y medición de la subestación eléctrica. Existen varios tipos de tableros: a) Simplex no blindado, b) Simplex blindado, c) Duplex, d) Tipo escritorio, e) Combinado. Los tableros de control deberán estar construidos preferentemente conforme a las indicaciones siguientes:
a) Cada interruptor tendrá su sección. b) Los instrumentos de medición, control y elementos indicadores se deben alojar en las cubiertas frontales de las secciones. c) Los circuitos secundarios de control y tensión deben tener protección de fusibles.
Capacitores.- Tienen como función principal suministrar potencia reactiva capacitiva al sistema eléctrico en el punto donde son conectados. Se instalan en bancos trifásicos pudiendo ser fijos o desconectables. Los efectos que provocan los capacitores aplicados a las cargas son: a) Reduce la componente en atraso de la corriente. b) Incrementa el voltaje aplicado a la carga. c) Reduce las perdidas por I 2 Z. d) Permite adicionar la carga a las líneas de suministro.
Para propósitos de coordinación y poder seleccionar los ajustes de las protecciones antes mencionadas de acuerdo con la corriente que soportan los transformadores se aplican las “curvas de daño” las cuales son una representación gráfica de las corrientes y tiempos que soportan los transformadores.
En las categorías de transformadores I y IV, solamente una curva representa ambas consideraciones térmicas y mecánica.
Para transformadores de categoría II y III dos curvas son necesarias dependiendo del número de ocurrencias de fallas en el transformador, tiempo de vida y niveles de corriente de falla las consideraciones de daño mecánico pueden ser despreciables.
En las curvas que tienen dos partes una sólida y una porción punteada, la porción sólida representa la duración de la falla total alcanzada por daño térmico que le pudiera ocurrir al transformador. La porción punteada refleja los efectos mecánicos.
Los transformadores sujetos a fallas frecuentes deberán ser representados con la combinación de porciones de curva para la parte mecánica y térmica, mientras los transformadores sujetos a fallas no frecuentes son representados con la porción térmica solamente.
La validación de estas curvas de daño no pueden ser mostradas por pruebas entonces los efectos son acumulatorios sobre en tiempo de vida del transformador, basados principalmente en información de ingeniería histórica y experiencia de campo.
