Protecciones Teis Lic. Mec-Elec_UV_2010

8/19/2019 Protecciones Teis Lic. Mec-Elec_UV_2010

1/166

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

“APLICACIÓN DEL SOFTWARE COMPUTER

AIDED PROTECTION ENGINEERING (CAPE) ENPROTECCIONES A SISTEMAS DE POTENCIA”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA

PRESENTA:

NOHÉ RAMÍREZ GARCÍA

DIRECTOR DE TESIS:

DR. ALFREDO RAMÍREZ RAMÍREZ

XALAPA-ENRÍQUEZ, VER. ENERO 2010


2/166

“Aplicación del software COMPUTER AIDED PROTECTION ENGINEERING (CAPE) en protecciones a sistemas de potencia”

1

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 3

CAPÍTULO I ............................................................................................................ 4

Conceptos básicos y principales consideraciones en la protección porrelevadores ............................................................................................................. 41.1 Protección por relevadores (definición). ...................................................... 41.2 Función de la protección por relevadores.................................................... 71.3 Principios fundamentales de la protección por relevadores. ...................... 81.4 Características funcionales de la protección por relevadores. ................. 101.5 Principales características de los relevadores de protección. .................. 12

CAPÍTULO II ......................................................................................................... 14Características y fundamentos de la operación de los diferentes tipos de

relevadores de protección. ................................................................................... 142.1 Clasificación de los relevadores................................................................. 142.2 Principio de funcionamiento. ...................................................................... 182.3 Relevadores direccionales del tipo de atracción electromagnética ......... 242.4 Relevadores de inducción de una sola magnitud. ..................................... 252.5 Relevadores de inducción direccionales. .................................................. 28

CAPÍTULO III ........................................................................................................ 35Transformadores de instrumentos para el accionamiento de los relevadores .. 35

3.1 Transformadores de corriente. ................................................................... 35

3.1.1 Simbología y marcas de polaridad. ..................................................... 383.1.2 Circuito equivalente de un transformador de corriente. ...................... 383.1.3 Clasificación de los transformadores de corriente para protección. .. 403.1.4 Conexiones de transformadores de corriente. .................................... 47

3.2 Transformadores de potencial. .................................................................. 493.2.1 Relación de transformación. ................................................................ 503.2.2 Clases de precisión. ............................................................................. 503.2.3 Conexiones de transformadores de potencial..................................... 52

CAPÍTULO IV ....................................................................................................... 54Descripción general de la protección de sobrecorriente, direccional y dedistancia. ............................................................................................................... 54

4.1 Protección contra sobrecorriente por relevadores. .................................. 544.2 Coordinación por ajuste de corriente y por ajuste de tiempo.................... 564.3 Relevadores de sobrecorriente de tipo instantáneo. ................................. 594.4 Relevadores de sobrecorriente a tierra. .................................................... 594.5 Relevadores direccionales. ........................................................................ 604.6 Relevadores de distancia. .......................................................................... 644.7 Relevador diferencial. ................................................................................. 68


3/166


2

CAPÍTULO V ........................................................................................................ 74Protección de líneas de transmisión. ................................................................... 74

5.1 Causas de fallas en líneas de transmisión. ............................................... 745.2 Protección de líneas con relevadores de sobrecorriente. ......................... 755.3 Protección de líneas con relevadores de distancia. .................................. 89

5.4 Protección de líneas con relevadores piloto. ............................................. 98

CAPÍTULO VI ..................................................................................................... 107 Aplicación del software CAPE. .......................................................................... 107

CONCLUSIONES ............................................................................................... 164

BIBLIOGRAFÍA................................................................................................... 165


4/166


3

INTRODUCCIÓN

El capital invertido involucrado en un sistema de potencia, para la generación,transmisión y distribución es muy grande que se deben de tomar en cuenta lasprecauciones propias para asegurar que el equipo opere lo más cercano

posible a su máxima capacidad y eficiencia, de éste modo estará protegidocontra accidentes.

La trayectoria normal de la corriente eléctrica, desde la fuente de generación através de conductores, en los generadores, transformadores y líneas detransmisión a la carga, se confinan a esta trayectoria por aislamiento. Noobstante el material aislante, puede sufrir una avería ocasionada por losefectos de temperaturas altas o por accidentes físicos, y debido a esto seproducen las fallas, puesto que la corriente sigue una trayectoria errónea.

Lo cual conocemos como cortocircuito o fuga de corriente. De modo quecuando esto sucede se destruye la capacidad del sistema de potenciacausando una costosa pérdida o deterioro del equipo, además de una severabaja en el voltaje y pérdida del servicio producido por ésta interrupción.

Tales fallas son raramente reparadas por un buen protector de aparatos ylíneas de potencia, además de un dispositivo de protección extra queseguramente desviara y neutralizará la falla, aunque inevitablemente y a pesarde estas medidas ocurrirá cierto número de accidentes ocasionados porinesperados relámpagos que condicionan a éste tipo de accidentes.

El propósito de los relevadores de protección y sistemas de relevadores, eshacer funcionar correctamente los circuitos para desconectar o parar la falla delequipo tan rápido como sea posible minimizando de éste modo el problema yel daño causado por la falla.

Lo ideal sería que se pudiera anticipar la protección y así prevenir las fallas.Por lo tanto aquí es donde se encuentra la importancia de contar con unsoftware para la simulación de dichas fallas y la coordinación de lasprotecciones, en este caso el software es CAPE, quien en su base de datos se

encuentras varias aplicaciones que son de mucha importancia para realizarejercicios con diferentes tipos de relevadores, así como la simulación de laoperación de interruptores, para hacer más eficientes y obtener mejoresresultados en las protecciones a sistemas de potencia.


5/166


4

CAPÍTULO I Conceptos básicos y principales consideraciones en la protección por

relevadores.

1.1 Protección por relevadores (definición).

Al hablar de un sistema de potencia generalmente lo primero que llega a lamente son las enormes redes de transmisión, los transformadores, las grandescentrales generadoras de potencia, etc. Sin embargo todos estos elementossolo son parte de un sistema ya que además existen elementos y componentesque son de vital importancia, uno de ellos es la protección por relevadores.

¿Que es un relevador?; más específicamente, ¿qué es un relevador deprotección? El instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos (IEEE) defineal relevador como "un mecanismo eléctrico que está diseñado para interpretar

condiciones especificas, se encuentra para responder a la operación de cierrea causa de un cambio abrupto o hechos similares asociados con circuitoseléctricos de control". La siguiente nota ampliará la información: "Las entradasson usualmente eléctricas, pero pueden ser mecánicas, térmicas, u otrascantidades. Los interruptores de límite, y mecanismos simples similares no sonrelevadores”.

La IEEE define un relevador de protección como: "Aquel cuya función esdetectar defectos de líneas o aparatos u otras condiciones del sistema depotencia de naturaleza anormal o peligrosa y que inicia una apropiada accióndel circuito de control".

Los relevadores son utilizados en todas las partes importantes de los sistemaseléctricos de potencia, acompañados por lo regular con fusibles para ladetección de las condiciones intolerables.

El objetivo principal y primordial de todos los sistemas de potencia es elmantener en un alto nivel la continuidad del servicio, y que cuando ocurrancondiciones intolerables, reducir el número de cortes de energía eléctrica. Laspérdidas de potencia, y sobrevoltajes ocurren de cualquier manera, porque esimposible y también poco práctico, poder evitar las consecuencias de eventosnaturales y accidentes físicos; como son fallas del equipo, o mala operación

debido a errores humanos. Muchas de estas fallas resultan de: descuidos,conexiones accidentales o "descargas" entre conductores de fase o de unconductor de fase a tierra.

Las causas naturales que pueden provocar cortocircuitos (fallas) son descargasatmosféricas (voltaje inducido o descarga directa en el conductor), viento, hielo,terremotos, fuego, explosiones, árboles caídos sobre las líneas, objetosvoladores, contactos físico de animales y contaminación. Los accidentesincluyen las fallas resultantes de choques de vehículos con los postes o equipovivo, así como el sabotaje por parte de las personas a las instalaciones y

equipos del sistema eléctrico de potencia. Se hace un esfuerzo considerable


6/166


5

para reducir los posibles daños, pero la eliminación de todos estos problemassemejantes aún no es posible.

La mayoría de fallas en un sistema eléctrico de distribución con red de líneasaéreas son fallas de fase a tierra, producto de las descargas atmosféricas, que

inducen un alto voltaje transitorio y dañan o flamean el aislamiento. En lossistemas aéreos de distribución, el contacto de árboles con líneas originado porviento es otra fuente de fallas. El hielo, nieve y viento durante tormentasseveras pueden originar muchas fallas y daños, al equipo.

En algunos casos la descarga originada por eventos de esta naturaleza, nocausan daño permanente si el circuito es interrumpido rápidamente. Estainterrupción rápida es una práctica común. Pero en muchos casos se produceuna sobretensión en la tensión nominal del sistema causada por este cortemomentáneo de energía. El tiempo promedio del corte de energía está en elorden del ½ a 1 ó 2 minutos que es un buen tiempo en comparación conmuchos minutos y horas que puede estar fuera el sistema.

Las fallas originadas en el sistema no siempre suministran cambiossignificativos de las cantidades eléctricas del sistema que pueden ser usadaspara distinguir las condiciones tolerables de las no tolerables por el sistema.Estos cambios cuantitativos, incluyen sobrecorriente, sobre o bajo voltaje,potencia, factor de potencia, dirección de la corriente, impedancia, frecuencia,temperatura, movimientos físicos y presión.

También la acumulación de contaminación en el aislamiento es una fuente defalla muy común que es impredecible y que generalmente significa unincremento en la corriente, por lo que la protección de sobrecorriente es muyaplicada.

La protección es la ciencia, técnica o arte de aplicar y seleccionar relevadoresy/o fusibles para proporcionar la máxima sensibilidad para la detección de lasfallas o condiciones indeseables, y no obstante, evitar su operación en todaslas condiciones permisibles o tolerables.

En un sistema eléctrico de potencia se deben cuidar los siguientes aspectos:

i. Funcionamiento normal.ii. Previsión de una falla eléctrica.iii. Reducción de los efectos de la falla.iv. Protección con relevadores.

Cuando se habla de un “funcionamiento normal” se cree que no existen errores

humanos, que la naturaleza no castiga al sistema y que el equipo instaladofunciona de manera correcta, por mencionar algunas situaciones. También se

considera que existen los requisitos mínimos para la alimentación de la carga


7/166


6

existente, además de tener una cierta cantidad de carga anticipada. Algunas delas consideraciones son las siguientes:

i. Selección de la fuente de potencia.ii. Localización de las centrales de generación.

iii. Transmisión de la potencia a la carga.iv. Estudio de la carga instalada y de la carga futura.v. Medición.vi. Regulación de la tensión y de la frecuencia.vii. Operación del sistema.viii.Mantenimiento normal.

Previsión de una falla eléctrica: Las fallas que ocurren en cualquier sistemaeléctrico ocasionan pérdidas, de esta manera se debe instalar equipo adicionalal sistema con la finalidad de reducir los daños al mismo y con esto tambiéndisminuir las interrupciones del servicio eléctrico debido a fallas.

Algunas de las características de funcionamiento y diseño que tienen comofinalidad prevenir una falla son los siguientes:

i. Provisión de un aislamiento adecuado.ii. Coordinación de la resistencia de aislamiento con las capacidades de los

pararrayos.iii. Uso de hilos de guarda y baja resistencia a tierra de las torres.iv. Resistencia mecánica de diseño para reducir la exposición y para

disminuir la probabilidad de falla originada por contaminación, granizo,animales, etc.

v. Operación y prácticas de mantenimiento apropiados.

A continuación se mencionan algunas de las características de diseño yfuncionamiento para “reducir los efectos de una falla eléctrica”:

1) Características que reducen los efectos inmediatos de una falla eléctrica:i. Diseño para limitar la magnitud de la corriente de cortocircuito. Evitando concentraciones muy grandes de capacidades de generación.

Utilizando impedancia limitadora de corriente.ii. Diseño para soportar los esfuerzos mecánicos y los calentamientos

debidos a corrientes de cortocircuito.iii. Dispositivos de baja tensión con acción retardada en interruptores para

evitar la caída de la carga durante disminuciones de tensiónmomentáneas.

iv. Neutralizadores de fallas a tierra (bobinas Peterson).

2) Características para la desconexión rápida de los elementos defectuosos:i. Protección por relevadores.ii. Interruptores con suficiente capacidad interruptiva.


8/166


7

iii. Fusibles.

3) Características que reducen la pérdida del elemento defectuoso:i. Circuitos paralelos.ii. Capacidad de reserva de generadores y transformadores.

iii. Recierre automático.

4) Características presentes en todo el periodo, desde que inicia la falla hastaque se elimina, para mantener la tensión y la estabilidad.

i. Regulación automática de la tensión.ii. Características de estabilidad de los generadores.

5) Medios para observar la eficacia de las características anteriores.i. Oscilógrafos automáticos.ii. Observación humana eficiente y registro de datos.

6) Inspecciones frecuentes a medida que cambia el sistema o adiciones quese hagan para estar seguro de que las características anteriores son aunadecuadas.

La protección por relevadores es una de las características importantes deldiseño de un sistema relacionado con la disminución del daño al equipo y coninterrupciones al servicio cuando se presentan fallas en el sistema de potencia. Aun cuando es muy importante la economía en el diseño de un sistemaeléctrico de potencia, también debe existir la certeza de que el sistema estáadecuadamente protegido.

1.2 Función de la protección por relevadores.

La función de la protección por relevadores es originar el retiro rápido delservicio de cualquier elemento de un sistema de potencia, cuando se presentauna falla o cuando se presenta un funcionamiento anormal que puedaocasionar un daño o interfiera de otra forma con el funcionamiento eficaz delresto del sistema.

Las protecciones actúan sobre interruptores, que son los que desconectan alelemento defectuoso cuando el equipo de protección les manda la señal. Los

interruptores se localizan de tal manera de que cada elemento (transformador,línea de transmisión, generador, etc.) pueda aislarse por completo del resto delsistema.

Estos interruptores deben tener la capacidad suficiente para conducir corrientesmáximas de cortocircuito de manera momentánea y además poder interrumpirdicha corriente; deben soportar también el cierre de un cortocircuito semejantee interrumpirlo de acuerdo con normas establecidas.

La función principal de los relevadores es la de reducir los efectos de loscortocircuitos, una función secundaria de la protección por relevadores esindicar el lugar donde se presenta la falla, además de indicar que tipo de fallase presenta. Estos datos ayudan en la reparación oportuna; también


9/166


8

proporcionan medios para el análisis de la eficacia de la prevención de la falla ylas características de disminución que incluye la protección por relevadores.

1.3 Principios fundamentales de la protección por relevadores.

La filosofía general para aplicar la protección por relevadores consiste en dividirtodo el sistema eléctrico de potencia en zonas de protección a las cuales losrelevadores las puedan proteger de manera eficiente, con una mínima cantidadde interrupciones del suministro eléctrico.

En la Figura 1.1 se puede observar un sistema eléctrico de potencia dividido enzonas:

1. Generadores o unidades tipo generador-transformador.2. Transformadores.3. Barras.

4. Líneas de transmisión.5. Motores.

Figura 1.1. Diagrama de la zonas de protección en un sistema eléctrico de potencia.

Las zonas de protección están traslapadas para evitar la posibilidad de áreas

sin protección. El traslape se logra conectando los relevadores a lostransformadores de corriente como se muestra en la figura 1.2. Cualquieranomalía en la pequeña área entre los transformadores de corriente se detectapor la protección de ambas zonas y dispara todos los interruptores de las doszonas.

Considerando en un principio un equipo de protección solo contracortocircuitos. Existen dos grupos de dichos equipos: el primero llamadoprotección primaria, y el segundo protección de respaldo.

Es obvio que la confiabilidad es de vital importancia en un sistema deprotección, sin embargo existen muchos factores que pueden afectarla


10/166


9

recordando que también el interruptor pude llegar a fallar. Por estas razones seusan zonas de protección primaria y de respaldo para garantizar el libramientode una falla bajo cualquier situación.

Figura 1.2. Zonas de protección traslapadas.

La protección primaria como su nombre lo dice es la primera en actuar cuandose presenta una falla, debe ser capaz de librarla en el menor tiempo posible ytambién debe abrir únicamente los interruptores del circuito donde se presentóla falla.

En cuanto a la protección de respaldo es generalmente más pausadacomparándola con la protección primaria. La protección de respaldo debeoperar cuando la protección primaria no opera, por cualquier circunstancia; demodo que actúa como respaldo local. Otro caso es cuando no abra el

interruptor de un circuito con falla en una subestación lejana; entonces actúacomo protección de respaldo remota.

Generalmente la protección de respaldo solo se emplea para protección decortocircuitos. La experiencia ha mostrado que la protección de respaldo no es justificable económicamente para casos distintos de los cortocircuitos.Se debe mencionar también que cuando la protección primaria está fuera deservicio por reparación o por mantenimiento, la protección de respaldo actuarácomo protección primaria.

La protección por relevadores para los casos que no sean de cortocircuito seincluye en la protección primaria. Cada elemento del sistema se encuentraprovisto de protecciones independientes que actuarán cuando se presente unfuncionamiento anormal y abrirán interruptores para proteger a dicho elemento.Y la protección de respaldo para cortocircuitos va a funcionar cuando ocurranotras condiciones diferentes que produzcan tensiones o corrientes anormales.


11/166


10

Figura 1.3 Diagrama unifilar con varias LT en un sistema eléctrico de potencia.

Analizando el diagrama de la Figura 1.3, simulando una falla en la línea 5-6,debe operar su protección primaria abriendo los interruptores 5 y 6. Si éstallegara a fallar por cualquier circunstancia deberán operar las protecciones derespaldo local abriendo los interruptores 5 y 6 respectivamente. Si no llegara aoperar el interruptor 5 deben operar las protecciones de respaldo remoto, esdecir; en 1 y 2 respectivamente. En el caso de que fallara 6 deberá operar conrespaldo remoto los interruptores 9 y 10.

Si la falla llegara a ocurrir en las barras colectoras de la SE “3”, debe operar la

protección primaria desconectando los interruptores 3, 4 y 5, en caso de queno opere la protección, deben operar con protección de disparo remoto losinterruptores 1, 2 y 6, para librar la falla.

1.4 Características funcionales de la protección por relevadores.

La aplicación de la protección por relevadores divide en forma muy estricta laspartes del sistema de potencia, cada una con sus problemas particulares. Sedebe tomar muy en cuenta la aplicación de cinco principios fundamentalespara obtener un buen diseño y una protección eficaz, que se mencionan a

continuación:i. Confiabilidad. Habilidad de la protección o conjunto de protecciones para

operar correctamente cuando se requiere y evitar operaciones indebidas.

Es un requisito básico que el equipo de protecciones sea confiable.Cuando la protección por relevadores no funciona adecuadamente, lascaracterísticas de reducción implicadas son muy inefectivas. Por lo tanto,es esencial que el equipo de protección por relevadores sea muyconfiable y que la aplicación, mantenimiento e instalación aseguren quese aprovecharán al máximo.


12/166


11

Los sistemas de protección deben funcionar correctamente bajocondiciones adversas del sistema y del medio que lo rodea. Deben operaren respuesta a disturbios en su área asignada o bloquear correctamentesi el disturbio ocurre fuera de su área.

La aplicación adecuada del equipo de protección por relevadoresinvolucra una selección no solo del equipo de relevadores sino también delos aparatos asociados.

ii. Velocidad. Librar la falla en el tiempo mínimo requerido y el menor daño alequipo.

iii. Selectividad. Es la propiedad mediante la cual se aísla el elemento delsistema que se encuentra en falla, y las demás secciones se encuentranen condiciones normales (lograr máxima continuidad de servicio y mínimadesconexión de circuitos). Se habla de una selectividad absoluta cuandola protección se acciona únicamente cuando ocurren fallas dentro de suzona, y se hace referencia a la selectividad relativa si se obtienegraduando los ajustes de las protecciones de las diversas zonas quepuedan responder a una falla dada.

iv. Simplicidad. Un sistema de protección se debe de diseñar de una maneramuy simple, pero debe cumplir con sus propósitos de diseño (mínimoequipo y mínimo alambrado).

v. Economía. Se busca tener la máxima protección al mínimo costo. Cuandose habla de un sistema de valor inicial bajo generalmente no es el másconfiable, ya que presenta dificultades mayores cuando se instala ycuando se opera.

Los relevadores de alta velocidad ofrecen mayor continuidad del servicioreduciendo los daños producidos por disturbios y daños al personal.

Generalmente estos relevadores tienen un costo inicial alto, que no siempre se

puede justificar, por lo tanto para la protección de los sistemas de potencia sehace una combinación de los relevadores de baja y alta velocidad ya queambos tipos son muy confiables.

La protección por relevadores se examina sobre la base primordial que es lacontribución al mejoramiento del servicio de los consumidores, dentro de loeconómicamente posible. La contribución de la protección por relevadores esayudar al sistema de potencia, además de funcionar con mayor eficiencia yefectividad posible cuando ocurre una falla. Esto lo realiza el sistema deprotección, en la siguiente forma:


13/166


12

A. Disminuyendo el daño al ocurrir una falla, reduciendo:i. El costo de la reparación.ii. La posibilidad de que la falla pueda extenderse e involucrar otros

equipos.iii. El tiempo que el equipo está fuera de servicio.

B. Reduciendo la cantidad de equipo de reserva:i. Con el restablecimiento oportuno del servicio.ii. Disminuyendo la probabilidad de otra falla, antes que la primera sea

reparada.C. Permitiendo el uso más completo de la capacidad del sistema:

i. Los relevadores de alta velocidad libran las fallas en tiempos máspequeños.

ii. Evitando la pérdida de sincronismo del sistema de potencia.

Para obtener una seguridad de operación cuando se requiera de la intervenciónde un relevador, además de la confiabilidad misma del instrumento se debenimplementar programas de mantenimiento que los mantenga en buenascondiciones para tener la certeza de que en cualquier momento que ocurra unafalla el relevador opere de forma eficiente y precisa, de acuerdo a la política deseguridad establecida para el sistema eléctrico de que se trate y ésta consisteen la justificación del costo de la protección incluyendo el capital, mano de obray mantenimiento en función de la importancia del servicio que prestara elsistema eléctrico.

1.5 Principales características de los relevadores de protección.

Un sistema de potencia no funcionaría sin la protección por relevadores, peroesto no lo hace apreciable. Como en toda buena ingeniería, la economía es devital importancia. El ingeniero de protecciones puede justificar por lo generalgastos para la protección por relevadores sobre la base de una prácticanormalizada, las circunstancias pueden alterar dichos conceptos, y a menudoviene a ser necesario evaluar los beneficios que van a lograrse. Esta no es unacuestión por justificar la protección por relevadores, sino evaluar hasta donde

es factible la inversión para obtener la mejor protección.Como todas las otras partes de un sistema de potencia, la protección porrelevadores se evaluaría sobre la base del mejoramiento al servicio eléctrico,económicamente posible para los usuarios. La contribución de la protección porrelevadores es ayudar al resto del sistema de potencia a funcionar con lamayor efectividad y eficiencia posible ante la falla. Todo esto lo hace laprotección por relevadores disminuyendo el daño cuando se presentan lasfallas, la protección por relevadores disminuye:

1. El costo de la reparación del daño.2. La probabilidad de que la falla pueda extenderse e involucrar otro equipo.


14/166


13

3. El tiempo que el equipo está fuera de servicio.4. La pérdida en ingreso y la tirantez de las relaciones públicas mientras el

equipo está fuera de servicio.

La calidad del equipo de protección por relevadores afecta a los gastos deingeniería al aplicar el equipo de protección mismo. El gasto justificable para unequipo dado de protección por relevadores es necesariamente proporcional alvalor o importancia del elemento de un sistema que va a ser protegido de unmodo directo. Una falla en ese elemento de sistema puede afectar la capacidadpara dar servicio del sistema completo y, por lo tanto, ese equipo de protecciónestá protegiendo realmente el servicio del sistema completo. Algunos de losparos más serios han sido ocasionados por los efectos que provienen de unafalla original en equipo de relativa importancia que no se protegió de maneraadecuada.

Todos los relevadores utilizados para la protección de cortocircuitos y muchosotros tipos, también funcionan en virtud de la corriente y/o tensiónproporcionada a éstos por los transformadores de instrumentos (corriente ytensión) conectados en diversas combinaciones al elemento del sistema que vaa protegerse. Por cambios ya sean individuales o relativos en estas dosmagnitudes las fallas señalan su presencia, tipo, y localización a losrelevadores de protección. Para cada tipo y localización de falla, existe algunadiferencia característica en estas magnitudes así como varios tipos de equiposde protección por relevadores disponibles, cada uno de los cuales estádiseñado para reconocer una diferencia particular y funcionan en respuesta aésta.

Existen más diferencias posibles en estas magnitudes de las que uno puedasospechar. Las diferencias en cada magnitud son posibles en una o más de lasque siguen:

i. Magnitudii. Frecuencia.iii. Ángulo de fase.iv. Duración.v. Razón de cambio.

vi. Dirección u orden de cambio.vii. Armónicas o forma de onda.

De modo que, cuando corriente y tensión son considerados en combinación, orelativas a magnitudes similares en diferentes localidades, uno puede empezara darse cuenta de los medios disponibles para propósitos de discriminación.Esta es una circunstancia afortunada que, aunque la naturaleza ha impuesto ensu forma contraria la precisión de la falla de un sistema eléctrico de potencia,nos ha provisto al mismo tiempo con un medio para combatirla.


15/166


14

CAPÍTULO IICaracterísticas y fundamentos de la operación de los diferentes tipos de

relevadores de protección.

2.1 Clasificación de los relevadores.

La clasificación de los relevadores tomando en cuenta sus característicasconstructivas, los cuales pueden ser:

A. Relevadores electromagnéticos. Se basan en la fuerza de atracciónejercida entre pieza de material magnético y son accionados por unaseñal de corriente.

B. Relevadores de inducción. Estos relevadores tienen muchasaplicaciones y su principio de funcionamiento es el mismo que el de los

motores de inducción, los cuales utilizan el sistema de estructuraelectromagnética. Son accionados por una señal de corriente.

C. Relevadores electrónicos. Estos relevadores funcionan por medio dediodos, tiristores, transistores, etc. Su principal característica es que sonde mayor velocidad de operación. Su funcionamiento es equivalente alde los relevadores electromagnéticos.

D. Relevadores térmicos. Estos relevadores operan dejando fuera deservicio al equipo o máquina que protegen, y el cual ha sido sometido asobrecarga o a falla. Estos efectos producen calentamiento excesivoelevando la temperatura de los devanados. Estos relevadores son muyutilizados en transformadores de mediana y de gran potencia. Estosrelevadores generalmente toman en cuenta la imagen térmica del equipoque protege, es decir; de un dispositivo cuya ley de calentamiento seaanáloga a la ley del objeto protegido. Tienen tres contactos los cualescierran a diferentes temperaturas. Uno de tales contactos sirve para elcontrol de abanicos otro para evitar una señal de alarma y el último paraenviar una señal de disparo dejando fuera el equipo que se protege.

Varios dispositivos incluyendo los relevadores, han sido provistos deidentificación, de su operación con números y algunas veces con sufijos deletras apropiadas para uso de esquemas y diagramas de alambrado. Estosfueron introducidos por NEMA y ahora adoptados como norma estándar parasistemas de interrupción automática por la AIEE. Son como se presentanenseguida, haciendo mención de solo aquellos de relevante importancia:

No. De Disp. Definición y función

12 SOBRE-VELOCIDAD: Es generalmente un switch de velocidadconectado directamente y que funciona al sobrepasar de unvalor determinado la velocidad de una máquina.

13 VELOCIDAD SINCRÓNICA: Tal como un switch centrífugo develocidad, un relé de voltaje, un relé de baja corriente o


16/166


15

14

15

21

23

25

27

32

37

40

46

49

cualquier tipo de dispositivo, opera aproximadamente a lavelocidad sincrónica de la máquina.

BAJA VELOCIDAD: Funciona cuando la velocidad de unamáquina cae por debajo de un valor predeterminado.

DISPOSITIVO QUE EMPAREJA LA VELOCIDAD OFRECUENCIA: Iguala y mantiene la velocidad o la frecuenciade una máquina o de un sistema igual o aproximadamente igualal de la otra máquina, fuente o sistema.

RELÉ DE DISTANCIA: Funciona cuando la admitancia,impedancia o reactancia de un circuito, aumenta o disminuyemás allá de los límites predeterminados.

CONTROL DE TEMPERATURA: Funciona al elevar o bajar la

temperatura de una máquina u otro aparato, cuando excede obaja un valor predeterminado.

SINCRONISMO: Opera cuando dos circuitos están dentro delímites deseados de frecuencia, ángulo de fase o voltaje parapermitir o hacer el emparalelamiento de esos dos circuitos.

RELÉ DE BAJO VOLTAJE: Funciona a un cierto valor de bajovoltaje.

RELÉ DIRECCIONAL DE POTENCIA: Funciona en valordeseado de flujo de potencia en una dirección dada o porque seinvierte la potencia como resultado de invertir el ánodo-cátodode un rectificador de potencia.

RELÉ DE BAJA-CORRIENTE O BAJA-POTENCIA: Dispositivoque funciona cuando la corriente o flujo de potencia disminuye amenos de un valor predeterminado.

RELÉ DE CAMPO: Opera a un dado o bajo valor anormal opérdida de la corriente de campo de una máquina o a un

excesivo valor del componente reactivo de la corriente dearmadura en máquinas de CA, que indican la excitación anormalbaja del campo.

RELÉ DE CORRIENTE, INVERSION DE FASE, O BALANCEDE FASE: Funciona cuando las corrientes polifásicas son desecuencia inversa de fase, o cuando las corrientes sedesbalancean o contienen componentes de secuencia de fasenegativa, sobre una cantidad dada.

RELÉ TÉRMICO DE MÁQUINA O TRANSFORMADOR: Funciona cuando la temperatura de armadura de una máquina


17/166


16

50

51

52

53

54

55

56

59

60

61

de CA u otra carga que tiene devanado o elemento de máquinade CD, convertidor o rectificador de potencia (incluyendo untransformador rectificador de potencia) excede a un valorpredeterminado.

RELÉ DE SOBRECORRIENTE INSTANTÁNEO: Funcionainstantáneamente a un excesivo valor de corriente o a unaexcesiva relación de aumento de corriente, de este modoindicando una falla en el aparato o circuito que protege.

RELÉ DE SOBRECORRIENTE DE TIEMPO CA: Es undispositivo con una característica de tiempo definida o inversaque funciona cuando la corriente en un circuito excede de unvalor predeterminado.

INTERRUPTOR DE CA: Dispositivo que se usa para cerrar e

interrumpir un circuito de potencia bajo condiciones normales opara interrumpir este circuito bajo condiciones de falla o deemergencia.

RELÉ EXCITADOR DE CD: Dispositivo que obliga la excitacióndel campo de la máquina de CD reforzándola durante elencendido o que funciona cuando el voltaje de la máquina haalcanzado un valor dado.

INTERRUPTOR DE ALTA VELOCIDAD: Es un interruptor quefunciona para reducir la corriente al inicio en el circuito principalen 0.01 segundos o menos, después de ocurrir la sobrecorrienteCD o relación excesiva de alza corriente.

RELÉ DE FACTOR DE POTENCIA: Opera cuando el factor depotencia en un circuito de CA aumenta o disminuye más de unvalor predeterminado.

RELÉ DE APLICACIÓN DE CAMPO: Es un dispositivo quecontrola automáticamente la aplicación de la excitación delcampo a un motor de CA a un punto predeterminado en el lapso

de ciclo.RELÉ DE SOBREVOLTAJE: Es un dispositivo que funciona aun cierto valor dado de sobrevoltaje.

RELÉ DE BALANCE DE VOLTAJE: Dispositivo el cual opera auna diferencia dada en voltaje entre dos circuitos.

RELÉ DE BALANCE DE CORRIENTE: Dispositivo que opera auna diferencia dada de entrada o salida de corriente de doscircuitos.


18/166


17

62

63

64

67

72

74

76

78

81

84

RELÉ DE RETARDO DE TIEMPO DE PARAR O ABRIR: Es undispositivo retardador de tiempo que sirve en conjunción con elaparato que inicia la operación del cierre, paro o apertura en unasecuencia automática.

RELÉ DE PRESIÓN, FLUJO O NIVEL DE GAS Ó LÍQUIDO: Esun aparato que opera en un dado valor de presión flujo o nivelde gas o liquido o a una relación dada de cambios de estosvalores.

RELÉ PROTECTOR DE TIERRA: Funciona en fallas delaislamiento de una máquina, transformador o de otro aparatoque tenga conexión a tierra. NOTA: esta función es asignadasolamente a un relé que detecta el flujo de corriente de laarmazón de una máquina o cubierta, estructura o una pieza deun aparato a tierra en un circuito o devanado normalmente no

conectado a tierra. No se aplica a un dispositivo conectado en elcircuito secundario o neutro secundario de un transformador decorriente o transformadores de corriente, conectados en elcircuito de potencia de un sistema normalmente aterrizado.

RELÉ DIRECCIONAL DE SOBRECORRIENTE CA: Funciona aun valor deseado de sobrecorriente fluyendo en una direcciónpredeterminada.

INTERRUPTOR CD: Se usa para cerrar e interrumpir un circuitode potencia bajo condiciones normales o para interrumpir estecircuito bajo condiciones de falla, emergencia o peligro.

RELÉ DE ALARMA: Este dispositivo es diferente al reléanunciador (con No. 30), y que se usa para operar en conexióncon una alarma visual o auditiva.

RELÉ DE SOBRECORRIENTE CD: Aparato el cual funcionacuando la corriente excede a un valor dado.

RELÉ MEDIDOR DE ÁNGULO DE FASE O DE

DESBALANCE: Es un dispositivo que funciona a un valorpredeterminado de ángulo entre dos voltajes, dos corrientes oentre voltaje y corriente.

RELÉ DE FRECUENCIA: Dispositivo que funciona a unpredeterminado valor de frecuencia ya sea por arriba o porabajo o a la frecuencia normal del sistema o relación de cambiode frecuencia.

MECANISMO DE OPERACIÓN: Es el mecanismo eléctricocompleto o servomecanismo, incluyendo el motor de operación,

solenoides, posición de los switches, etc. Para un cambiodisponible, regulador de inducción, o cualquier pieza de aparato


19/166


18

85

86

87

90

91

92

que no tenga número de función de aparato.

RELÉ RECEPTOR DE MENSAJE O DE CONDUCTOR-PILOTO: Aparato el cual es operado o controlado por una señalusada en conexión con la corriente mensajera o conductor piloto

de CD en una falla de relevamiento direccional.

RELÉ DE CIERRE FORZADO: Dispositivo operadoeléctricamente que se reajusta manual o eléctricamente quefunciona para suspender el funcionamiento de un equipo ymantenerlo así al presentarse condiciones anormales.

RELÉ DE PROTECCIÓN DIFERENCIAL: Dispositivo el cualfunciona a un porcentaje, ángulo de fase u otra diferenciacuantitativa de dos corrientes o algunas otras cantidadeseléctricas.

DISPOSITIVO REGULADOR: Funciona para regular unacantidad o cantidades, tales como: voltaje, corriente, potencia,velocidad, frecuencia, temperatura y carga a un cierto valor ovalores entre ciertos límites para máquinas, líneas enlazadas uotros aparatos.

RELÉ DIRECCIONAL DE VOLTAJE: Dispositivo el cual operacuando el voltaje a través de un interruptor abierto o contactorexcede en un valor dado en una dirección dada.

RELÉ DIRECCIONAL DE VOLTAJE Y POTENCIA: Aparatoque permite o causa la conexión de dos circuitos cuando ladiferencia de voltajes entre ellos excede a un valor dado en unadirección predeterminada y causa que estos dos circuitos sedesconecten el uno del otro cuando el flujo de potencia entreellos exceda a un valor dado en la dirección opuesta.

2.2 Principio de funcionamiento.

Los relevadores de protección para sistemas de potencia, están formados poruna o más unidades de decisión o detectores de fallas, además de los circuitoslógicos y unidades auxiliares que necesiten. Debido a que varios de estosdetectores de fallas se usan en diferentes relevadores, son llamados unidadesbásicas.

El principio de funcionamiento de todos los relevadores considerados esfunción de una respuesta a una o más magnitudes eléctricas, ya sea para abriro cerrar contactos.

Existen dos principios fundamentales de funcionamiento diferentes de losrelevadores que son:

i. Atracción electromagnética.


20/166


19

ii. Inducción electromagnética.

Los de atracción electromagnética emplean un embolo que es atraído dentrode un solenoide, o una armadura que es atraída por los polos de unelectroimán, estos relevadores pueden ser accionados por corriente alterna o

por corriente directa.Los relevadores de tipo inducción electromagnética funcionan en formaanáloga al motor de inducción, por este motivo el par se obtiene mediante lainducción en el rotor. Estos relevadores solo son accionados por corrientealterna.

De acuerdo a su tipo de estructura se tiene que las cinco primeras utilizan elprincipio de atracción electromagnética, mientras las siguientes usan el deinducción electromagnética. Las estructuras iv, vii, viii, ix y x son direccionalesy las correspondientes a v y xi son diferenciales.

i. Atracción de Armadura (Abisagrada).ii. Atracción de Armadura (Pivotada).iii. Núcleo de Succión.iv. Direccional de Atracción Electromagnética.v. Diferencial de Atracción Electromagnética.vi. Polo sombreado.vii. Vatihorimétrica.viii. Cilindro de Inducción.ix. Anillo de Inducción Doble.x. Anillo de inducción Sencillo.xi. Diferencial de Inducción

Figura 2.1 (i) Atracción de Armadura (Abisagrada); (ii) Atracción de Armadura

(Pivotada).

Figura 2.2 (iii) Núcleo de Succión; (iv) Direccional de Atracción Electromagnética.


21/166


20

Figura 2.3 (v) Diferencial de Atracción Electromagnética; (vi) Polo sombreado.

Figura 2.4 (vii) Vatihorimétrica; (viii) Cilindro de Inducción.

Figura 2.5 (ix) Anillo de Inducción Doble; (x) Anillo de inducción Sencillo.


22/166


21

Figura 2.6 (xi) Diferencial de Inducción.

En relación con los contactos, estos pueden ser normalmente abiertos onormalmente cerrados. Se entiende por condiciones normales cuando elrelevador no opera, es decir; está fuera de servicio y precisamente la posiciónque adopten dichos contactos en estas circunstancias será lo que los definacomo normalmente abiertos (NA) o normalmente cerrados (NC).

El símbolo para designar contactos NA o NC se muestran en la figura:

Figura 2.7 Símbolos de los contactos.

Para tener una mejor comprensión de los contactos se hacen las siguientesdefiniciones:

Valor de puesta en trabajo: es el valor mínimo de la magnitud de influenciaque logra abrir o cerrar los contactos del relevador.

Valor de reposición: es cuando la magnitud de influencia disminuye y loscontactos retornan a su condición normal.

Valor de paso al reposo: es cuando un relevador funciona para abrir uncontacto pero no se repone, se dice que este pasa al reposo y el valor máximode la magnitud de influencia a la que esto ocurre se llama valor de paso alreposo.

Indicadores de funcionamiento o indicadores: son elementos de cierto colorque son accionados por el mecanismo del relevador, o eléctricamente por flujode la corriente de contacto y salen a la vista cuando funciona el relevador.

Bobinas de sello y de retención: para la protección de los contactos del

deterioro y evitar falsos contactos, algunos relevadores están provistos de unapequeña bobina conectada serie con los contactos, ésta se localiza sobre un


23/166


22

electroimán que actúa sobre la armadura en el conjunto móvil del contacto, deesta forma una vez que se establece el flujo de corriente de la bobina dedisparo, los contactos se mantendrán herméticamente cerrados. Estadescripción corresponde a lo que se conoce como bobina de sello, pues otrosrelevadores emplean precisamente otro pequeño relevador cuyos contactos

están en derivación con los del relevador de protección para mantener cerradoel circuito mientras fluya la corriente de disparo. Este relevador es conocidocomo relevador de contactos de sello o de retención.

Ajuste de puesta en trabajo o de reposición: aquí se utilizan bobinas decorriente o bobinas de potencial, en ambos casos deberán tener tomas oresistencias o bien el ajuste se logrará por un resorte ajustable o por lavariación del entrehierro con respecto a su solenoide o electroimán.

Las figuras 2.8 y 2.9 complementan la idea para comprender de mejor manerala operación, el control, su disposición, etc.; en cuanto a los contactos de un

relevador.

Figura 2.8 Alternativas de los métodos de contactos de sello.

Figura 2.9 Curvas de tiempo de funcionamiento contra el valor de la magnitud deinfluencia.


24/166


23

Continuando con el análisis correspondiente para los distintos tipos derelevadores, vemos el principio de funcionamiento del relevador de una solamagnitud de atracción electromagnética.

La fuerza que se desarrolla sobre el elemento móvil es proporcional al

cuadrado del flujo en el entrehierro. Despreciando el efecto de saturación, lafuerza total es:

2

2

1 K I K F F Fuerza neta.

1 K Constante de conversión de la fuerza.

I Corriente eficaz en la bobina.

2 K Fuerza de retención.

Cuando el relevador está en el límite de la puesta en trabajo, la fuerza neta escero, entonces la característica de funcionamiento es:

2

2

1 K I K o bién;1

2

K

K I

Una característica que afecta la aplicación de algunos de estos relevadores es

la diferencia relativamente grande entre sus valores de puesta en trabajo y de

reposición. El problema es menor en relevadores de CA que en CD, donde es

entre 90 a 95%, en cambio, en CD se habla de un 60 a 90%, para aplicaciones

en sobrecorriente, el relevador dispara un interruptor que reduce la corriente a

cero, y por esto el valor de reposición no es de consecuencia.

Otra anomalía que representan estos relevadores es la tendencia a la vibración

sobre todo en CA, una mejoría se consigue si las piezas polares tienen anillos

de sombra que dividan el flujo del entrehierro en dos componentes fuera de

fase, así disminuye la tendencia a reponer cada medio ciclo, cuando el flujo

pasa por cero.

Estos relevadores no se recomiendan en control direccional, como son derespuesta rápida son afectados por los transitorios y particularmente por la CD

descentrada en ondas de CA. El relevador se podrá poner en trabajo durante

un transitorio dependiendo de la cantidad de descentrado, su constante de

tiempo y de su velocidad. Esta tendencia se conoce como “sobrealcance”.

Estos relevadores son de funcionamiento rápido, y son recomendables cuando

no se desea retardo, si éste fuera necesario se obtendría, mediante fuelles,

amortiguadores, escapes, etc. Si la acción retardada es muy corta, ésta seobtendría con relevadores de CD rodeando al circuito magnético con un anillo


25/166


24

de baja resistencia o slug, que aumenta o disminuye el entrehierro según se

desea.

2.3 Relevadores direccionales del tipo de atracción electromagnética.

Los relevadores direccionales del tipo de atracción electromagnética funcionan

con CD o CA rectificada. El uso más común es en protección de circuitos de

CD, donde la magnitud de influencia se obtiene de una resistencia en

derivación o directamente del circuito.

La figura 2.10 es un esquema de un relevador direccional de atracción

electromagnética.

Figura 2.10 Relevador direccional de atracción electromagnética.

La armadura móvil magnetizada por la corriente que fluye en la bobina actuante

alrededor de la armadura, y con tal polaridad como para cerrar contactos. Un

cambio de polaridad de la magnitud de influencia invertirá las polaridades

magnéticas de los extremos de la armadura que ocasionará la apertura de

contactos. En la misma figura 2.10 se ve entre la sección X y Y una bobina

polarizadora la cual, en ocasiones es remplazada por un imán permanente.

Un análisis de la fuerza que hace mover la armadura será el siguiente,

despreciando la saturación:

21 K I I K F a p


26/166


25

Cuando el relevador está en el límite de funcionamiento:

.1

2 cte K

K I I a p

Este relevador se denomina direccional precisamente por la capacidad que

tiene de distinguir entre dos direcciones opuestas de la corriente de la bobina

actuante o entre polaridades opuestas.

Con un imán permanente de polarización o con la bobina polarizadora activada

por una corriente constante, la característica de funcionamiento es:

.1

2 cte I K

K I

p

a

Se exige para a I un valor para la puesta en trabajo, así como una polaridad

correcta.

Este relevador es más eficiente que los de armadura articulada o solenoide, porla energía requerida del circuito de la bobina actuante. Por esta razón estosrelevadores se emplean cuando la fuente es una resistencia en derivación deCD. Otra opción para operar este relevador es el uso de CA rectificada de ondacompleta, esto sería un relevador de CA de baja energía.

Los relevadores direccionales son instantáneos, pero un retardo corto se logracon un slug colocado alrededor de la armadura. Por la elevada relación decorriente continua o capacidad de tensión al valor de puesta en trabajo, se

tendrán calentamientos con el consiguiente aumento de la eficiencia.

2.4 Relevadores de inducción de una sola magnitud.

Los relevadores del tipo de inducción son los más ampliamente utilizados en laprotección por relevadores, utilizan exclusivamente CA por el principio defuncionamiento. Estos relevadores son motores de inducción de fase auxiliarprovistos de contactos. La fuerza actuante se desarrolla en un elemento móvil,ya sea un disco o bien otra forma de rotor de material no magnético que seaconductor de corriente, para eliminar el efecto de las corrientes parásitas deFoucault.


27/166


26

En la figura las corrientes fluyen en el rotor por la influencia de las dostensiones. La corriente producida por un flujo reacciona con el otro, y viceversa,de este modo se dá lugar a la fuerza actuante sobre el rotor.

La figura 2.11 se ilustra cómo se produce la fuerza actuante sobre el rotor.

Figura 2.11 Producción del par en un relevador de inducción.

máximo.flujoelesdonde ; 111 t sen

Así mismo)(22 t sen

Siendo θ el ángulo de fase entre los flujos 21 y . Para evitarse el considerarla autoinducción de las corrientes creadas en la placa y también el ángulo defase de estas con respecto a sus fuerzas electromotrices que por lo demás sondespreciables, se puede establecer que las corrientes son proporcionales a lasderivadas del flujo con respecto al tiempo, según las expresiones siguientes:

)cos(

cos

22

2

11

1

t dt

d i

t dt

d i

Como se puede observar en la figura las fuerzas F1 y F2 se encuentran en

oposición y la resultante será la diferencia de ellas:

)( )F-( 211212 ii F F

Sustituyendo los valores de los flujos en esta ecuación tenemos:

sen F 21

La ecuación anterior nos indica que la fuerza es constante en todo momentodependiendo únicamente de los valores máximos de los flujos y el ángulo de

fase entre ellos.


28/166


27

En los relevadores de inducción de acuerdo con su estructura defuncionamiento, hay una clasificación como sigue: de polo sombreado, tipoWattorímetro tipo de tambor o copa de inducción y de anillo sencillo.

En el relevador de polos sombreados el flujo principal se divide en dos flujos

desfasados. El relevador de tipo Wattorímetro contiene dos bobinas separadas,cada una de ellas produce un flujo que creará la fuerza neta para mover el rotorque es un disco. Los relevadores tipo tambor o copa de inducción y el de anillode inducción, son parecidos a los motores de inducción, solo que aquí el hierrodel rotor está estacionario y el tambor que es un cilindro hueco es el que gira,la misma operación se desarrolla si la parte que gira es uno o dos anillos.

El relevador tipo polos sombreados es un ejemplo de éstos. También los otrosrelevadores de inducción pueden ser utilizados con una sola magnitud deinfluencia, conectando sus circuitos actuantes en serie o paralelo, eldefasamiento entre los flujos está en función de la relación X/R que será

distinta para cada circuito.

En la siguiente figura se muestra en forma esquemática la construcción delrelevador de inducción.

Figura 2.12 Relevador de inducción tipo de polos sombreados.

Si se desprecia el efecto de saturación el par de estos relevadores es:

2

2

1 K I K T

si el relevador es de corriente.

2

2

1 K V K T

si el relevador es de voltaje.

En estos relevadores el par es controlado por un contacto en serie con uno delos circuitos si éstos están en paralelo o en serie con una parte del circuito siéstos están en serie.

Un relevador se diseña para tener la puesta en trabajo más baja a sufrecuencia nominal. El efecto de ligeros cambios en la frecuencia, en los

sistemas de potencia, puede despreciarse, pero una forma distorsionada de laonda puede alterar la característica de puesta en trabajo y tiempo.


29/166


28

En general, la puesta en trabajo de los relevadores de alta velocidad, es tanalta que de esta forma compensa cualquier tendencia al sobrealcance.La relación de reposición a puesta en trabajo está entre 95% y 100% y son lafricción y compensación imperfecta del resorte de control del par, las únicascosas que hacen que la relación sea del 100%. Además, la relación no se

afectará por el ajuste de la puesta en trabajo, donde las bobinas de corrientecon tomas, proporcionan el ajuste de la puesta en trabajo.

Cuando se necesita el recierre rápido automático de un interruptor, el tiempo dereposición de un relevador de tiempo inverso, puede ser una característicacrítica para su selección. Si todos los relevadores involucrados no tienentiempo de reposición rápida, después que se dispara un interruptor, y antes queeste recierre, y si el otro que originó el disparo se restablece cuando cierra elinterruptor, algunos relevadores pueden funcionar muy rápido y disparar sinnecesidad.

Las curvas de tiempo inverso se obtienen con relevadores cuyo rotor en undisco y estructura de polo sombreado o del tipo Wattorímetro. Elfuncionamiento de alta velocidad se obtiene con las estructuras de tambor deinducción o de anillo de inducción.

2.5 Relevadores de inducción direccionales.

El relevador direccional es de tipo de inducción y solamente toma en cuenta enqué dirección se encuentra la falla. Por lo que cierra sus contactos solamentecuando la energía circula en un sentido determinado.

Debido a la característica direccional este relevador tiene la característicaprincipal de funcionamiento de ser selectivo, o sea que se desconectasolamente de la línea que ha fallado. Sus contactos cierran o abren según seael ángulo formado por los vectores representativos de la corriente y la tensión.

La señal de corriente y de tensión que se suministran a cada relevadordireccional, no debe ser de una misma fase ya que al producirse una falla en talfase la tensión y el factor de potencia caen a valores muy bajos lo cual dificultael funcionamiento del relevador. Por esta razón se aplica a cada relevador unatensión entre fases.

La señal de corriente que reciben estos relevadores al igual que todos losdemás que necesiten de esta señal para su funcionamiento, viene de lostransformadores de corriente, los cuales generalmente vienen montados en laparte interior de los interruptores, transformadores de potencia, etc. Vienen unoo dos por fase, tanto para protección como para medición.

La señal de tensión la reciben de los transformadores de potencial los cualesgeneralmente se colocan en la subestación conectándose del bus principal. Aligual que todos aquellos relevadores que necesitan de esta señal para sufuncionamiento.


30/166


29

La protección direccional se utiliza donde existen dos o más tramos de línea,así pues los dos extremos de la línea deben de estar provistos de relevadoresdireccionales de protección los cuales deben operar solamente cuando eldefecto está en dirección de la línea. En la actualidad los relevadoresdireccionales cierran sus contactos según sea el sentido de la energía

independientemente de la magnitud de la potencia y de la corriente aunqueésta debe de excederse de un límite.

Existen varios tipos de relevadores direccionales en general cada uno de elloscontienen los siguientes elementos:

i. Unidad o unidades direccionales.ii. Unidades de sobrecorriente.iii. Unidad de sello.iv. Unidad instantánea.

Estos relevadores contienen también un mecanismo defasador.La unidad direccional es un producto que se realiza en la unidad de operaciónla cual es del tipo cilindro de inducción sobre el cual interacciona entre elcircuito del flujo de polarización y el circuito del flujo de operación.

Mecánicamente la unidad direccional está compuesta de cuatro componentesbásicos:

1. Marco de aluminio de forma de cuña fundida.2. Marco electromagnético.3. Elemento móvil.

4. Puente moldeado.

El marco sirve como estructura de montaje para el núcleo magnético, ademástiene dos bobinas de polarización conectadas en serie y montadasdiametralmente opuestas una de otra; dos bobinas de operación conectadas enserie y montadas diametralmente una de la otra.

El elemento móvil consiste de un resorte en espiral, de un contacto móvil y deun cilindro de aluminio montado sobre una pequeña flecha. Los topes del

elemento móvil o contacto móvil son una parte integral del puente el cual estáfijo al marco electromagnético. Este puente es usado para el montaje del ajustedel contacto estacionario.

Con los contactos fijo y móvil se logra hacer la conexión eléctrica y así podermandar una señal de disparo al interrumpir del tramo de línea protegido, alocurrir una falla en tal tramo siempre y cuando se cierren tales contactoscuando el relevador direccional opere satisfactoriamente.

Los contactos de la unidad direccional son conectados en serie con la bobina

de polos sombreados de la unidad de sobrecorriente, dándole control


31/166


30

direccional a la unidad de sobrecorriente. Este arreglo evita que el relevadoropere para fallas en la dirección de no disparo.

Partes del relevador direccional más importantes:

Figura 2.13 Relevador direccional sin caja, mostrando sus partes más importantes.

1. Unidad direccional.2. Unidad de sobrecorriente.3. Unidad de sello.

Figura 2.14 Relevador direccional.

1. Contacto estacionario.2. Resorte de presión (para presionar al contacto estacionario).3. Plugs. Ajuste magnético.4. Tornillo de ajuste magnético.5. Conjunto de elemento móvil.6. Prensa para el ajuste del resorte.7. Vía oblicua de corriente.


32/166


31

Partes de la unidad de sobrecorriente de tiempo:

Figura 2.15 Relevador de sobrecorriente, mostrando sus partes más importantes.

1. Block de Tap´s.2. Dial de tiempo.3. Conjunto del resorte de control.4. Disco.5. Conjunto de contacto estacionario.6. Plugs magnéticos.7. Imán permanente.

Figura 2.16 Indicating Contactor Switch (ISC).

Las características de tiempo de los relevadores direccionales desobrecorriente son de tiempo corto, de tiempo largo, inverso de tiempo muyinverso, y de tiempo extremadamente inverso. Esto también se verá con másdetalle en el capítulo 4. Puesto que se verá por medio de figuras, las cualesmostrarán las curvas de tiempo para las diferentes palancas o ajustes de dial.

Estas figuras mostrarán las características de tiempo al cual los contactoscierran para un determinado ajuste de palanca y un determinado valor decorriente en múltiplos del TAP de corrientes aplicado al relevador.


33/166


32

Figura 2.17 Diagrama vectorial para el par máximo en un relevador direccional el cualfunciona con las magnitudes de tensión y corriente, el relevador es de tipo de inducción.

Los relevadores direccionales se utilizan para la protección de algún tramo delínea y cuando la falla ocurre en las fases, pero también se utiliza para cuandola falla que ocurre es a tierra.

En la figura 2.17 se puede observar el diagrama vectorial para el par máximoen un relevador direccional.

Según las magnitudes de influencia para el funcionamiento de los relevadoresdireccionales, el par es estrictamente:

21 )cos( K VI K T

Donde:

V La magnitud eficaz de la tensión aplicada a la bobina de tensión del

circuito. I La magnitud eficaz de la corriente de la bobina de corriente.

Ángulo entre I y V.

El ángulo del par máximo.

El valor de φ es del orden de 60° a 70° de atraso para la mayoría de lasbobinas de tensión y por lo tanto, será del orden de 20° a 30° de adelanto sino hay impedancia en serie con la bobina de tensión. Con la inserción en elcircuito del relevador de una combinación de resistencia y capacidad en serie

con la bobina de tensión, podemos cambiar el ángulo entre la tensión aplicadae Iv a casi cualquier valor, ya sea atrasado o adelantado V sin cambiar lamagnitud de Iv. Por lo mismo el ángulo de par máximo puede hacerse casi acualquier valor deseado.

En el punto de equilibrio, cuando el relevador está en el límite delfuncionamiento, el par neto es cero, y tenemos:

.)cos(1

2 cte K

K VI

Esta característica de funcionamiento se muestra en la figura 2.18 mediantecoordenadas polares. La magnitud polarizante, que es la tensión para este tipo


34/166


33

de relevadores es la distancia y la magnitud es constante. Por lo que se

obtiene:

.)cos( cte I

Cualquier vector de corriente cuya punta esté situada en el área del par positivooriginará la puesta en trabajo del relevador; ésta no se pondrá en trabajo, para

cualquier vector de corriente cuya punta está situada en el área del par

negativo.

Figura 2.18 Características de funcionamiento de un relevador direccional.

Para una magnitud diferente de la tensión de referencia, la característica de

funcionamiento será otra, nada más que paralela a la anterior o sea cuando la

magnitud de la tensión era constante según la figura en cuestión y relacionadaa ésta por la expresión.

.cteVI mín

Donde Imín, es la magnitud mínima de todos los vectores de corriente cuyas

puntas finalizan en la característica de funcionamiento. , es conocida como la

corriente mínima de puesta en trabajo del relevador aunque debe ser algo

mayor para cumplir con su cometido. De este modo hay un número infinito de

características de funcionamiento, una para cada magnitud posible de latensión de referencia.

Siempre se desea que el par máximo ocurra en algún valor de θ diferente de

90°, lo cual se logra poniendo en paralelo una resistencia o un capacitor con las

bobinas principales.

El efecto de los transitorios puede despreciarse con relevadores de tiempo

inverso; pero con relevadores de alta velocidad tendrán que ser vigilados

ciertos transitorios ya sea contra el diseño del relevador en su aplicación. En


35/166


34

general, un aumento de la puesta en trabajo, o la adición de uno o dos ciclos

(60 hertz como base) de acción retardada evitará el funcionamiento indeseado.

El efecto de ligeros cambios en la frecuencia como los encontrados

normalmente, puede, no obstante, despreciarse. Si las frecuencias de las dosmagnitudes proporcionadas al relevador son diferentes, se producirá un par

senoidal alterno entre positivo y negativo; el par neto para cada ciclo del par

será cero.

Los relevadores del tipo de disco se utilizan donde se desean las

características de tiempo inverso, y los relevadores de tambor o de anillo se

utilizan para el funcionamiento de alta velocidad. Cuando se desea acción

retardada, ésta se encuentra provista a menudo por otro relevador asociado

con el relevador direccional.

Todos los relevadores ya considerados son meramente combinaciones de los

tipos que han sido descritos. Este punto podemos escribir la ecuación universal

del par como sigue:

43

2

2

2

1 )cos( K VI K V K I K T

Asignando signos más o menos a algunas de las constantes; haciendo cero las

otras, y añadiendo algunas veces otros términos similares, pueden expresarse

las características de funcionamiento de todos los tipos de relevadores deprotección.


36/166


35

CAPÍTULO IIITransformadores de Instrumentos para el Accionamiento de los

Relevadores.

3.1 Transformadores de corriente.

En los sistemas eléctricos de potencia de medición de corriente alterna es una

de las cosas más comunes, no solo por la medición misma, sino porque se

requiere para determinar otros parámetros de los circuitos eléctricos ya que las

señales de corriente y voltaje se requieren para:

i. Instrumentos indicadores y registradores.ii. Medición de potencia y energía eléctrica.iii. Telemedición.iv. Alimentación de relevadores de protección.

Cuando las corrientes por medir son relativamente pequeñas y los circuitos de

baja tensión, la medición se puede hacer en forma directa, en cambio si los

voltajes son grandes al igual que las corrientes, se debe tener una réplica de

las corrientes y tensiones que se tienen en el circuito primario por medio del

uso de transformadores de corriente y de potencial que son dispositivos que

están diseñados para operar en su primario con las corrientes y tensiones

nominales del circuito. De esta manera los transformadores de instrumentosson usados para:

i. Proteger al personal y los aparatos del alto voltaje.ii. Permitir el uso de niveles de aislamientos razonables y capacidades de

conducción de corriente en relevadores a una base común.

Los transformadores de instrumentos y relevadores están estandarizados a 5

Amperes y/o 120 Volts, 60 ciclos. La dirección del flujo de corriente en los

devanados del transformador no es importante cuando los relevadores operan

sobre magnitud de corriente y voltaje, sin embargo; donde el relevadorcompara la suma o diferencia de dos corrientes, o las interacciones de varias

corrientes o voltajes, es necesario conocer la polaridad del transformador.

Como ya se comentó antes en lo referente a la medición de corrientes

nominales grandes que no se pueden pasar directamente por los instrumentos

de medición o protección, entonces es necesario establecer un aislamiento

eléctrico entre el circuito primario conductor y los instrumentos de medición y

protección; esto se logra al utilizar transformadores de corriente.

La ecuación básica para los transformadores de corriente es la siguiente:


37/166


36

2211 N I N I

También

a N

N

I

I

1

2

2

1

Donde:

Se designa por ZC la impedancia de carga; el voltaje que aparece en elsecundario de un TC es función de otra impedancia de carga.

C Z I V 22

Si se considera la impedancia interna Zi del TC entonces el voltaje secundario

es:

22 )( I Z Z V iC

En el transformador de corriente se deben considerar para su aplicación loserrores de relación y de ángulo, mismo que aparecen en las denominadas

clases de precisión de los TC´S.

Para la aplicación de los transformadores de corriente se requieren conocer

como parámetros los siguientes:

i. Corriente primaria.ii. Corriente secundaria.iii. Corriente de cortocircuito para efectos térmicos.

iv. Corriente de cortocircuito para efectos dinámicos.v. Potencia de salida del TC.vi. Clase de precisión.vii. Nivel básico de aislamiento.viii. Número de devanados secundarios.ix. Burden (Cargas).

Los transformadores de corriente pueden ser de medición, de protección,mixtos o combinados.

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


38/166


37

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

veces la magnitud de la corriente nominal, cuando se trata de grandes redescon altas corrientes puede ser necesario requerir treinta veces la corrientenominal. En el caso de los relés de sobrecorriente, sólo importa la relación detransformación, pero en otro tipo de relés, como pueden ser los de impedancia,se requiere además de la relación de transformación, mantener el error delángulo de fase dentro de valores predeterminados.

Transformadores mixtos. En este caso, los transformadores se diseñan parauna combinación de los dos casos anteriores, un circuito con el núcleo de altaprecisión para los circuitos de medición y uno o dos circuitos más, con susnúcleos adecuados, para los circuitos de protección.

Transformadores combinados. Son aparatos que bajo una misma cubiertaalbergan un transformador de corriente y otro de tensión. Se utilizan enestaciones de intemperie fundamentalmente para reducir espacios.

Los componentes básicos de los transformadores de corriente son:

Aislamiento externo: el aislamiento externo consta de una envolventecerámica con una línea de fuga lo suficientemente larga como para que ningúnarco pueda contornear bajo condiciones de contaminación, como lluvia, niebla,polvo, etc.

Aislamiento interno: puede variar según sus características constructivas. Uncaso es aquél en que las partes activas se moldean en resina de epoxy que lasfija, las separa y las aísla, existiendo una cámara de aire entre el aislamientoexterno de porcelana y el cuerpo de resina. Esta cámara se sellaherméticamente con juntas de caucho nitrílico y se la rellena con aceite aislanteo gas SF6. Existe otro tipo constructivo, indicado para potencias de precisiónelevadas y grandes intensidades de cortocircuito, en que el aislamiento internosuele ser cartón prespán impregnado en aceite para el conjunto de los núcleos,arrollamientos secundarios y la bajante de los conductores que unen los

arrollamientos secundarios con sus cajas de bornes.Este bajante lleva incorporada en el interior de su aislamiento una serie depantallas metálicas de forma cilíndrica, estando todo ello envuelto por un tubometálico en forma decreciente, de forma cónica. Este conjunto constituye uncapacitor que permite un reparto uniforme de tensión a lo largo de todo elaislamiento interno. El aceite que se utiliza para impregnar el cartón esdesgasificado y filtrado, y cuando se rellena el transformador se hace bajocondiciones de vacío.

Los transformadores con aislamiento de cartón impregnado en aceite suelen

disponer de un depósito de expansión (donde va a parar el aceite sobrantecuando éste se calienta) en su extremo superior. Conviene indicar que la parte


39/166


38

superior del transformador, donde se halla el conjunto del núcleo yarrollamiento secundario, está moldeada en resina epoxy, formando unacabeza donde da cabida también al depósito de expansión de aceite. Este tipoconstructivo de transformador se utiliza para tensiones desde 36 hasta 765 kV.

3.1.1 Simbología y marcas de polaridad.

En los diagramas eléctricos, los transformadores de corriente se representanen cualquiera de las dos formas mostradas en la figura 3.1.

Figura 3.1 Símbolos del transformador de corriente.

En las cuales la línea horizontal representa el devanado primario que seconoce conecta en serie o se intercala en el circuito de alta tensión (AT) y elresto del diagrama, que se asemeja a una “M” corresponde al devanadosecundario.

La polaridad del transformador está usualmente marcada en el transformadorde instrumento, pero donde no sea conocida, existen dos métodosconvencionales para determinarla.

Las marcas de polaridad, representadas por puntos o pequeños cuadros,

designan las direcciones instantáneas de la corriente en el primario y lacorriente del secundario durante medio ciclo.

3.1.2 Circuito equivalente de un transformador de corriente.

La figura 3.2 muestra el circuito equivalente aproximado de un transformadorde corriente. La magnitud de la corriente se reduce a través de los devanadosab y cd del transformador. La impedancia del devanado primario )( H Z se

multiplica por 2n para referirlo al secundario. La impedancia del secundario es

L Z y las pérdidas de excitación se representan como m R y m X .

Figura 3.2 Circuito equivalente de un TC.


40/166


39

El devanado primario está conectado en serie con la línea o alimentador ymuchas veces es ésta misma, por lo que la corriente primaria es la misma de lalínea y la impedancia primaria es lo suficientemente pequeña que puede serdespreciada.

La impedancia de carga es la resultante de la conexión en serie de las bobinasde corriente de los equipos de protección y medición que el TC debe alimentar;ésta tendrá siempre una magnitud pequeña para ofrecer una oposición mínimaal paso de la corriente y no sacar al TC de sus características de diseño.

Este circuito puede reducirse aun más, como se muestra en la figura 3.3. El

valor de )( H Z se puede despreciar, puesto que no afecta a la corriente

transformadan

I H , ni al voltaje a través de m X .la corriente de excitación e I

queda representada como la corriente que circula a través de m X .

Figura 3.3 Circuito equivalente reducido de un TC.

En la figura 3.4, se muestra el diagrama fasorial mostrando las caídas detensión con magnitudes más grandes de las reales para visualizarlo mejor. En

general L Z es resistivo. e I atrasa cd V por 90° y es la causa principal de error.

Figura 3.4 Diagrama fasorial de un TC.

Es importante mencionar en este tema el efecto de saturación siendo el efectorepresentado por la disminución de impedancia de magnetización del núcleo,

pues provoca en la mayoría de los casos un retraso en la operación deprotecciones.


41/166


40

3.1.3 Clasificación de los transformadores de corriente paraprotección.

Los transformadores de corriente para la protección se clasifican según lasnormas nacionales (NOM-J-109/1977), mediante dos símbolos: una letra y el

voltaje de clase, los cuales definen las características del transformador. Las

letras de designación pueden ser:

C= indica que la relación de transformación puede ser calculada.

T= indica que la relación debe ser determinada mediante pruebas.

La primer clasificación (C) cubre a los TC tipo dona o boquilla con el devanado

secundario uniformemente distribuido o cualquier otro transformador en el cual,el flujo de dispersión en el núcleo tiene un efecto despreciable sobre el error de

relación, dentro de los límites de corriente y carga establecidos por las normas.

Figura 3.5 Transformador de corriente” tipo dona o boquilla”.

La segunda clasificación (T) cubre la mayoría de los TC tipo devanado y

cualquier otro transformador, en los cuales el flujo de dispersión afecta la

relación de transformación en forma apreciable.

El voltaje en las terminales del secundario, es el voltaje que el transformador

entregara a una carga estándar con 20 veces la corriente nominal secundaria

sin exceder el 10% de error de relación.


42/166


41

Figura 3.6 Transformador de corriente QDR 123 a 245 kV serie Balteau de Alsthom.

Figura 3.7 Caja de terminales secundarias.

El transformador de corriente tipo boquilla (o clase C) tiene el devanado

secundario aislado y bobinado sobre el núcleo y no tiene devanado primario

como una parte integral de su estructura. Está provisto con aislamiento en el

orificio a través del cual se hace pasar el conductor de línea de alta tensión,

para formar el devanado primario. Normalmente estos TC´s son de relación

múltiple. Las combinaciones normales de corrientes primarias son las

siguientes:


43/166


42

600/500/450/400/300/250/200/150/100/50 amperes.

1200/1000/900/800/600/500/400/300/200/100 amperes.

2000/1600/1500/1200/1100/800/500/400/300 amperes.

3000/2000/1500 amperes.

4000/3000/2000 amperes.5000/4000/3000 amperes.

La corriente nominal secundaria es de 5 amperes, pero puede ser empleada

una corriente nominal de 1 ampere, siempre que así se especifique.

Los TC´s tipo boquilla reciben este nombre porque normalmente van instalados

en las boquillas de los transformadores o interruptores de potencia.

La figura 3.8 muestra un TC tipo boquilla con relación total de 1200/5. Las

terminales H1 y H2 corresponden a la línea de alta tensión, que forma el

devanado primario y las terminales marcadas con las letras “X” corresponden a

las derivaciones del devanado secundario. Las marcas de polaridad están

representadas implícitamente por H1 en el primario y en el secundario por la X

de menor índice (considerando las dos terminales en uso).

Figura 3.8 Transformador de corriente tipo “boquilla” con relación múltiple.

El transformador de corriente es aquel en el cual el devanado primario está

fijado mecánicamente al núcleo y puede tener una o más vueltas primarias. Los

devanados primario y secundario están aislados completamente y permanente

u

Protecciones Teis Lic. Mec-Elec_UV_2010

Documents

Transcript of Protecciones Teis Lic. Mec-Elec_UV_2010