CURSO PROTECCIONES DE SUBESTACIONE

Dentro del programa de capacitacin para el personal de SUBESTACIONES, se imparte el presente curso de Proteccin de Sistemas Elctricos de potencia a Electricistas para interpretar correctamente la operacin de las protecciones durante las fallas que se presentan en un S.E.P; as como tambin conocer todos los sistemas de Proteccin con que se cuenta para proteger adecuadamente un Sistema Elctrico de Potencia.OBJETIVO

Es el conjunto de elementos elctricos primarios tales como unidades generadoras, transformadores, subestaciones elevadoras de enlace y reductores, lneas de transmisin que enlazan subestaciones y lneas de distribucin que alimentan cargas elctricas, cuyo propsito es generar, transmitir y distribuir la energa elctrica.Un sistema elctrico de potencia debe asegurar que toda carga elctrica conectada al mismo, disponga interrumpidamente de energa.SISTEMA ELCTRICO DE POTENCIA

Debido a que por lo general todas las lneas son areas y estn expuestas a la intemperie, la probabilidad de que se interrumpan por causas tales como tormentas, cadas de objetos extraos, dao de aisladores, etc. Es muy grande. Estas pueden ocasionar no solo daos mecnicos, sino tambin fallas elctricas.Una de las principales causas de interrupcin del suministro elctrico, es la falla de corto circuito, que ocasiona un cambio sbito y a veces violento en la operacin del sistema.No obstante, cualquier elemento elctrico primario del sistema esta sujeto a sufrir algn tipo de falla elctrica.Falla elctrica es simplemente una condicin anormal que ocasiona una reduccin de la resistencia del aislamiento bsico, que produce un efecto en el sistema, es decir, provoca un exceso de corriente o la reduccin de la impedancia. NATURALEZA Y CAUSAS DE LAS FALLAS

Falla a fase a tierra. Falla entre fases. Falla de dos fases a tierra. Falla de tres fases. Falla de tres fases a tierra.Siendo la ms comn la de fase a tierra y generalmente se presentan en lneas areas, por fortuna estas son de naturaleza transitoria y desaparecer en unos cuantos ciclos. Estas fallas son producidas por descargas atmosfricas, ramas de rboles que pegan a la lnea, etc. Entre otras.La menos comn son las fallas trifsicas, generalmente ocurren por descuidos del personal de operacin, cuando se ponen sistemas de tierra para proteger al liniero mientras se realiza un trabajo y en ocasiones se olvida quietar los sistemas de tierra y al energizar lneas ocurren las fallas trifsicas.EXISTEN CINCO TIPOS DE FALLAS EN UN SISTEMA TRIFASICO

Hilos de guarda Sistemas de tierra Cadenas de aislamiento. Apartarrayos. Fusibles. Proteccin por relevadores.

SISTEMAS DE PROTECCIN EN UN SISTEMA ELCTRICO DE POTENCIA

En los sistemas de distribucin, pueden presentarse principalmente dos tipos de falla segn su naturaleza.TRANSITORIA.-Son aquellas donde la perdida de aislamiento de los elementos del sistema sometidos a tensin elctrica, es momentnea, es decir, que se trata de aislamientos del tipo recuperable. Algunos tipos de fallas transitorias incluyen contactos momentneos con ramas de rboles, flameo por contaminacin o arqueo del aislamiento por descargas atmosfricas, mezclndose en este ultimo caso las ondas de la sobretensin de forma no sostenida con la corriente de frecuencia nominal. PERMANENTE.- Son aquellas donde la perdida de aislamiento del elemento fallado es permanente, al tratarse tanto de aislamiento del tipo no recuperable, como de aislamientos recuperables en donde su capacidad dielctrica es drsticamente reducida. Las fallas permanentes son aquellas que requieren reparacin, mantenimiento o reposicin del equipo antes de que la tensin elctrica pueda ser restablecida en el punto de falla. Su ocurrencia generalmente origina una perdida irreversible del aislamiento cuando este es del tipo no recuperable. Se trata de aislamientos del tipo recuperable, tales como el aire, la perdida del aislamiento es debida a contacto de elementos conductores, ya sea entre ellos o a tierra, provocados normalmente como consecuencia de fallas mecnicas o estructurales.NATURALEZA DE LAS FALLAS

Tanto estadsticas de operacin como numerosos estudios, indican que las fallas en un sistema areo de distribucin tienen el siguiente comportamiento:Entre un 80-95% del total de fallas son de naturaleza transitoria, correspondiendo complementariamente entre el 20-5% a fallas permanentes. De las fallas transitorias entre un 90-95% son liberadas en el primer intento de restablecimiento de la tensin elctrica; entre un 4-6% son liberadas posteriormente al segundo intento de restablecimiento; entre un 2-3% desaparecen despus del tercer intento y entre 0-1% son despejadas despus de un cuarto intento o en posteriores intentos de restablecimiento. A este respecto cabe sealar que en CFE desde 1989 se ha efectuado un seguimiento estadstico a una muestra promedio de 150 circuitos de distribucin de 30 subestaciones en tres divisiones, tenindose hasta la fecha un total de 12,797 fallas con un patrn de comportamiento como el que se indica a continuacin:LOS SITEMAS DE DISTRIBUCIN, LA NATURALEZA DE SUS FALLAS Y LA DEFINICIN DE SU SISTEMA DE PROTECCIN.

Fallas permanentes: 10%

Fallas transitorias: 90%

Fallas transitorias libereadas despus del 1er. Intento de restablecimiento: 90%

Fallas transitorias libereadas despus del 2do. Intento de restablecimiento: 6%

Fallas transitorias liberadas despus del 3er. Intento de restablecimiento: 3%

Fallas transitorias liberadas despus del 4to. Intento de restablecimiento: 1%LOS SITEMAS DE DISTRIBUCIN, LA NATURALEZA DE SUS FALLAS Y LA DEFINICIN DE SU SISTEMA DE PROTECCIN.

Los relevadores de proteccin detectan condiciones anormales tales como fallas en los circuitos elctricos y en forma automtica, los interruptores funcionan para aislar con la mayor rapidez el elemento defectuoso del sistema y as limitar el dao que puede producir la falla e impedir que la falla se propague al resto del sistema.La funcin de los relevadores junto con los interruptores, consiste en prevenir las consecuencias de las fallas.Debe entenderse que un relevador no puede prevenir las fallas, solo actuar despus de que esta se ha presentado.RELEVADORES DE PROTECCIN.

Todo sistema de proteccin que opera aislando un elemento del sistema en condicin de falla debe ser:

Confiable ---- Que no falle

Selectivo ---- Slo liberar el elemento fallado.

Rpido ---- Operar en menos de 10 milisegundos.

Discriminatorio ---- Debe diferenciar una falla a una Sobrecarga.CUALIDADES DE LA PROTECCIN.

Los relevadores operan debido a corrientes y voltajes derivados de transformadores de corriente o de potencial ( TCs o TPs), cada relevador realiza una funcin especifica y responde en forma tambin especifica a cierto tipo de cambio en las magnitudes del circuito.As, un tipo de relevador puede operar cuando la corriente aumenta mas all de una cierta cantidad, mientras que otro puede comparar la corriente y el voltaje cuando la relacin V/I sea menor que un valor dado. Al primero se le conoce como relevador de sobrecorriente y al segundo como relevador de impedancia.PRINCIPIO BSICO DE OPERACIN DE RELEVADORES

Lneas de transmisin (230 kV o 115 kV). Lneas de distribucin ( 34.5 kV o 13.8 kV). Autotransformadores . Transformadores de potencia. Buses de potencia (230 kV o 115 kV). Reactores. Capacitores Generadores.

PRINCIPALES ESQUEMAS DE PROTECCIN

21 esquema de proteccin de distancia. 51 esquema de sobrecorriente. 87 esquema diferencial de corriente.ELEMENTOS A PROTEGER DE UN S.E.P.

Las nomenclaturas usadas generalmente en la prctica comn en todo el mundo, en relacin a las funciones de varios relevadores y equipo miscelneo anexo, estn identificadas en el Capitulo-Estandarizacin de funciones de dispositivos dado en la norma ANSI/IEEE.Los nmeros claves de dispositivos mayormente usados son los sig:1.- Elementos Maestro 2.- Rele temporizador de arranque o cierre.3.- Rele verificador de cierre.4.- Contactor maestro.5.- Dispositivo de paro.6.- Interruptor de arranque.7.- Interruptor de nodo.8.- Dispositivo de desconexin circuito de control.9.- Dispositivo inversor.10.- Switch de secuencia de unidad.12.- Dispositivo de sobre velocidad.13.- Dispositivo de velocidad sincrnica.NOMENCLATURA E IDENTIFICACIN DE DISPOSITIVOS

14.- Dispositivo de baja velocidad.15.- Dispositivo regulador de velocidad o frecuencia.17.- Switch de descarga o derivacin.18.- Dispositivo de aceleracin o desaceleracin. 19.- Contactor de transicin arranque-marcha.20.- Vlvula operada elctricamente. 21.- Rele de distancia.22.- Interruptor de igualacin o compensador.23.- Dispositivo de control de temperatura.25.- Dispositivo de sincronizacin o verificacin de sincronismo. 26.- Dispositivo trmico en instrumentos. 27.- Rele de bajo voltaje.28.- Detector de flama.29.- Contactor de desconexin o aislamiento. 30.- Rele anunciador o indicador. 31.- Dispositivo de excitacin separadaNOMENCLATURA E IDENTIFICACIN DE DISPOSITIVOS

32.- Rele direccional de potencia. 33.- Switch de posicin.34.- Dispositivo maestro de secuencia.35.- Dispositivo para operar escobillas o poner en C.C anillos colectores.36.- Dispositivo de voltaje de polarizacin o polaridad.37.- Rele de baja potencia o baja corriente. 38.- Dispositivo de proteccin de chumacera.40.- Relevador de campo.41.- Interruptor de campo.42.- Interruptor de marcha.43.- Dispositivo manual de transferencia o seleccin.44.- Rele de secuencia de arranque de unidades. 46.- Rele de inversin de fases o balance de fases (corriente).47.- Rele de secuencia de fases (voltaje).48.- Rele de secuencia incompleta. 49.- Rele trmico de maquinas o transformadores.NOMENCLATURA E IDENTIFICACIN DE DISPOSITIVOS

50.- Rele instantneo de sobrecorriente.51.- Rele de sobrecorriente C.A. con tiempo.52.- Interruptor de C.A.53.- Rele de excitacin o generador C.D.54.- Interruptor de sobrevelocidad para C.D.55.- Rele de factor de potencia.56.- Rele de aplicacin de campo.57.- Dispositivo de corto circuito o poner a tierra.58.- Rele de falla de rectificador.59.- Rele de sobrevoltaje.60.- Rele de balance de voltaje.61.- Rele de balance de corriente.62.- Rele temporizador para paro o apertura. 63.- Rele de presin.64.- Rele detector de tierra.65.- Gobernador.66.- Dispositivo contador de operaciones.NOMENCLATURA E IDENTIFICACIN DE DISPOSITIVOS

67.- Rele direccional de sobrecorriente C.A.68.- Rele de bloqueo.69.- Dispositivo permisivo de control. 70.- Restato.71.- Switch de nivel.72.- Interruptor de C.D.73.- Contactor de resistencia de carga.74.- Rele de alarma.75.- Mecanismo cambiador de posicin.76.- Rele de sobrecorriente en C.D. 77.- Transmisor de pulsos.78.- Rele de med. De ngulo de fase o protec. De fuera de paso.79.- Rele de recierre C.A.80.- Switch de flujo.81.- Rele de frecuencia.82.- Rele de recierre.83.- Rele automtico de transferencia o seleccin.NOMENCLATURA E IDENTIFICACIN DE DISPOSITIVOS

84.- Mecanismo de operacin.85.- Rele de onda portadora o hilo piloto.86.- Rele de bloqueo sostenido.87.- Rele de proteccin diferencial.88.- Motor o motor generador.89.- Cuchillas.90.- Regulador.91.- Rele direccional de voltaje.92.- Rele direccional de voltaje y potencia.93.- Contactor cambiador de campo.94.- Rele de disparo o disparo libre.NOMENCLATURA E IDENTIFICACIN DE DISPOSITIVOS

Los relevadores de sobrecorriente al operar, actan sobre un interruptor de potencia o sobre un relevador auxiliar y este sobre el interruptor. Por otra parte, su corriente de operacin es recibida a travs de los transformadores de corriente.Es decir, no existe una conexin directa entre este dispositivo de proteccin y el sistema o equipo elctrico al cual protege, de ah su alta precisin al trabajar con magnitudes de baja tensin. As entonces, el principal equipo asociado a un esquema de relevador (es) de sobrecorriente es:

Interruptor de potencia.

Transformadores de corriente.EQUIPO ASOCIADO A LOS RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE

Es un dispositivo que cierra o abre circuitos elctricos con o sin carga, o corriente de falla.Para circuitos o alimentadores de distribucin los interruptores son trifsicos. Se seleccionan en base a la tensin del sistema, carga y corriente de cortocircuito en el punto de instalacin, es decir, su capacidad interrumpida debe ser mayor que el valor de falla en el punto de instalacin.La conexin o desconexin se efecta a travs del movimiento relativo de los contactos del interruptor. El arco elctrico es interrumpido dentro de la cmara de extincin. El medio de extincin puede ser aceite, aire, vaci o gas SF6.El control de interruptor ejerce las funciones de apertura y cierre, es alimentado a travs de una fuente confiable de C.D. Utiliza una fuente de C.A. o C.D. para cargar el elemento mecnico que hace la apertura o cierre. Este elemento, puede ser neumtico, hidrulico o de resorte. Para efectos de control elctrico. La accin de liberar un trinquete o abrir una vlvula, se efecta a travs de electroimanes que se energizan con ese control. Los electroimanes reciben el nombre de bobinas de cierre y disparo.INTERRUPTORES DE POTENCIA

Los dispositivos que proporcionan las seales de corriente del sistema de distribucin a los relevadores son los transformadores de corriente.Sus funciones bsicas son:Proveer aislamiento adecuado entre el voltaje pleno del sistema y los instrumentos que normalmente operan voltajes bajos que no representan peligro para los equipos ni para el personal.Reducir en forma proporcional los valores de corriente del sistema, para que sean utilizados por los dispositivos de proteccin y medicin.Un transformador de corriente trabaja bajo el mismo principio de funcionamiento de una transformador ideal. Refirindose a la siguiente figura pueden establecerse las siguientes consideraciones:El devanado primario esta conectado en serie con la lnea o alimentador y muchas veces es esta misma, por lo que la lp es la misma de la lnea y la impedancia primaria Zp es lo suficientemente pequea que puede ser despreciada.La impedancia de carga Zc es la resultante de la corriente de la conexin en serie de las bobinas de corrientes de los equipos de proteccin y medicin que el TC debe alimentar, su magnitud debe ser pequea para ofrecer, una mnima oposicin al paso de la corriente Is.TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

TRANSFORMADORES DE CORRIENTE

Por sus caractersticas de constitucin los relevadores de sobrecorriente se pueden clasificar como: Relevadores electromecnicos. Relevadores estticos. Relevadores digitales o microprocesadosPor sus caractersticas de tiempo de operacin pueden ser: Relevadores de sobrecorriente instantneo. Numero ANSI 50. Relevadores de tiempo. Numero ANSI 51.Por sus caractersticas de tiempo corriente, pueden ser: Tiempo definido. Tiempo inverso. Tiempo muy inverso. Tiempo extremadamente inverso. Por sus caractersticas de rango de corriente y forma de conexin, pueden ser: Relevadores de sobrecorriente de fase. Relevadores de sobrecorriente de neutro. Relevadores trifsicos.RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE 50/51

En la mayora de los tableros de proteccin, control y medicin construidos hasta 1980, se encuentran operando relevadores de sobrecorriente del tipo electromagntico (monofsico). Con el avance de la tecnologa se ha incrementado la produccin de relevadores de estado slido o microprocesado. Logrndose una reduccin considerable en el espacio empleado en los tableros, as como incrementar sus funciones.

Relevadores de sobrecorriente instantneo (50)

Es un relevador con una respuesta instantnea para un valor pre-determinado de corriente. Su tiempo de respuesta u operacin es menor a 3 ciclos (0.05 segundos).RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE 50/51

Relevador de sobrecorriente con retardo de tiempo (51).Es un relevador con una respuesta retardada la cual se ajusta a una curva caracterstica de tiempo-corriente definida o inversa que funciona cuando la corriente en el circuito excede de un valor pre-determinado.Se conoce como tiempo inverso a la caracterstica de tiempocorriente en que a mayor corriente, menor es el tiempo de respuesta del relevador; y consecutivamente a menor corriente, mayor ser el tiempo de operacin del relevador. Es decir, existe una relacin de inversidad entre el comportamiento de ambos parmetros.

Relevador de recierre (79)El equipo permite efectuar hasta 4 recierresLos tiempos de los recierres se pueden programar. RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE 50/51

El relevador de frecuencia 81 es un relevador que supervisa las variaciones de frecuencia en el sistema elctrico de potencia que nominalmente debe ser de 60 hertz.El relevador opera para frecuencia mnima si la frecuencia del sistema esta por debajo de un valor predeterminado de ajuste durante un tiempo tambin programado. El relevador opera para frecuencia mxima si la frecuencia del sistema esta por encima del valor ajustado por un tiempo programado.Los valores de frecuencia mnima y mxima para los cuales el relevador de frecuencia 81 debe operar, los determina el centro nacional de control de la energa (CENACE) el cual tambin determina las reas que se debern afectar por la operacin de este relevador.El primer paso de operacin de 81 para mnima frecuencia es de 59.2 hz. Y el segundo es de 59 hz.La operacin de relevadores 81 responde a la necesidad de mantener la frecuencia del sistema de potencia en un valor estable de 60 hz. la cual al presentarse una falla en el sistema esta tiende a variar y a desestabilizar el sistema.Si al haber una falla en el sistema la frecuencia tiende a bajar, esta se tiende que controlar tirando grupos de carga por reas tratando de estabilizar al sistema elctrico y esta es la funcin del relevador de frecuencia.RELEVADORES DE FRECUENCIA 81

ESQUEMAS DE PROTECCIONES NORMALIZADOS

ESQUEMADISPOSITIVOFUNCIONESLneas 10 kmDispositivo 187L21F, 79, 50FI, 27, 25Dispositivo 267NDispositivo 3MedicinLneas 10 kmDispositivo 121F/N, 67N, 50FI, 79, 25, 27Dispositivo 2MedicinTransformadorDispositivo 1AT (50/51F, 50/51N), 50FI51NTDispositivo 287T, MT (50/51F, 50/51N), 81Dispositivo 3MedicinBco. capacitores A.T.Dispositivo 150/51F/N, 59N o 64N, 50FI, MedicinBco. capacitores M.T.Dispositivo 159N, MedicinAlimentadorDispositivo 150/51F/N, 79, 81Dispositivo 2Medicin