ÍNDICECAPITULO 1................................................................................................................4

1.1. INTRODUCCIÓN...............................................................................................5

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA...............................................................6

1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA...................................................................7

1.4. OBJETIVOS:......................................................................................................7

1.4.1. OBJETIVO GENERAL................................................................................7

1.4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.......................................................................7

1.5. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO.......................................................................8

1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES..........................................................................8

1.7. HIPÓTESIS Y VARIABLES...............................................................................9

1.7.1. HIPÓTESIS GENERAL...............................................................................9

1.7.2. HIPÓTESIS ESPECIFICAS........................................................................9

1.7.3. VARIABLES................................................................................................9

1.8. METODOLOGÍA..............................................................................................10

CAPITULO II MARCO TEÓRICO..............................................................................11

1.1. INTRODUCCIÓN................................................................................................11

1.2.LINEAS DE TRANSMISIÓN................................................................................12

1.2.1. SISTEMAS DE POTENCIA (SSPP)..........................................................12

1.2.2. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE POTENCIA................................14

1.2.3. SISTEMA DE TRANSMISIÓN...................................................................14

1.2.4. DEFINICIÓN DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN............................................15

1.2.5. PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN........15

1.2.5.1. RESISTENCIA....................................................................................15

1.2.5.2. INDUCTANCIA...................................................................................17

1.2.5.3. CAPACITANCIA.................................................................................18

1.2.6. REPRESENTACIÓN DE LÍNEAS.............................................................20

1.2.6.1. CIRCUITO NOMINAL n......................................................................21

1.3.FALLAS EN LINEAS DE TRANSMISIÓN...........................................................22

2.3.1. ESTUDIOS DE CORTOCIRCUITO...........................................................24

2.3.1.1. INCIDENTE EN UN SISTEMA ELÉCTRICO......................................24

2.3.1.2. CLASIFICACIÓN DE FALLAS............................................................25

f.- Falla bifásica a tierra........................................................................................................................................31

2.3.1.3. REDES DE SECUENCIA EQUIVALENTES.......................................34

2.3.1.4. IMPEDANCIAS DIFERENTES...........................................................36

2.3.1.5. UNA LÍNEA ABIERTA........................................................................39

2.3.1.6. DOS LÍNEAS ABIERTAS....................................................................40

2.3.1.7. FRECUENCIA DE LAS FALLAS ELÉCTRICAS EN LÍNEAS DETRANSMISIÓN DEL SEIN..................................................................................41

2.3.2. COMPONENTES SIMÉTRICAS...............................................................41

2.3.3. EL OPERADOR DE SECUENCIA "a".......................................................42

2.3.4. EL CONCEPTO DE COMPONENTES SIMÉTRICAS...............................43

2.3.5. MODELOS SIMPLIFICADOS DE COMPONENTES DE SISTEMASELÉCTRICOS DE POTENCIA...............................................................................46

2.3.6. FALLAS DE ALTA IMPEDANCIA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE ALTATENSIÓN................................................................................................................48

2.3.6.1. Descripción de las características de una falla de alta impedancia.. .48

2.3.7. EFECTO DE LAS FALLAS EN UN SISTEMA ELÉCTRICO.....................48

2.3.7.1. EFECTOS TÉRMICOS DE CORTO CIRCUITO.................................48

2.3.7.2. EFECTOS DINÁMICOS DE LA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO

49

2.3.8. CONSIDERACIONES EN LA PERTURBACIÓN DEL SERVICIO DETRANSMISIÓN EN SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA............................49

2.3.8.1. SOBRECORRIENTE..........................................................................49

2.3.8.2. TENSIONES ANORMALES................................................................50

2.3.8.3. SOBRETENSIÓN...............................................................................50

2.3.8.4. SUBTENSIÓN....................................................................................51

2.3.8.5. FRECUENCIAS ANORMALES...........................................................51

1.4. PROTECCIÓN PRINCIPAL Y RESPALDO.........................................................52

1.4.1. FILOSOFÍA DE PROTECCIÓN.................................................................52

1.4.2. SISTEMAS DE PROTECCIONES............................................................54

1.4.2.1. COMPONENTES DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES...............54

1.4.2.2. CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN..............55

1.4.2.3. ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DE PROTECCIONES...................57

1.4.2.4. PROTECCIONES PRINCIPALES Y PROTECCIONES DE RESPALDO

.... 58

1.4.2.4.1. PROTECCIÓN PRIMARIA..............................................................58

1.4.2.4.2. PROTECCIÓN DE RESPALDO......................................................59

1.4.2.5. FUNCIONES BÁSICAS DE PROTECCIÓN.......................................61

1.4.2.6. TIPOS DE PROTECCIÓN DE LAS LÍNEAS DE TRASMISIÓN.........63

1.4.2.6.1. PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE:.......................................64

1.4.2.6.2. PROTECCIÓN DE DISTANCIA......................................................65

1.4.2.6.3. PROTECCIÓN DE SOBREINTENSIDAD DIRECCIONAL DE FASE Y NEUTRO (67/67N)...........................................................................................69

2.1. MEDIOS DE COMUNICACIÓN PARA PROTECCIONES..................................79

4.4.2 HILO PILOTO...........................................................................................................................................80

4.4.3.2 Onda portadora................................................................................................................................844.4.4 MICROONDAS.........................................................................................................................................85

CAPITULO III......................................................................................................................................................... 87

EVALUACIÓN DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN ACTUAL...............................................................................87

3.1. INTRODUCCIÓN.............................................................................................87

3.2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA ELÉCTRICO..................................................87

3.2.1. GENERALIDADES....................................................................................87

3.2.2. CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL SISTEMA................................88

3.2.5.2. CONDUCTORES...............................................................................91

3.2.5.5. PUESTA A TIERRA............................................................................92

3.2.5.6. PARARRAYOS...................................................................................93

3.2.6. DESCRIPCIÓN DE SUBESTACIONES....................................................93

3.2.6.1. SUBESTACIÓN SAN GABÁN 138 kV................................................93

3.2.6.2. SUBESTACIÓN MAZUCO 138/22,9 kV - 28/14 MVA........................95

3.3. DESCRIPCIÓN SISTEMA DE PROTECCIÓN................................................99

3.3.1. PROTECCIÓN BAHÍA DE SALIDA DE L.T. SAN GABÁN - MAZUCO (L-

1014).99

3.3.3. CRITERIOS PARA LA DETERMINACIÓN DE AJUSTES.......................104

3.3.3.1. PROTECCIÓN DE DISTANCIA........................................................104

3.3.3.2. PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE.........................................106

3.3.3.3. CARACTERÍSTICAS DE LAS CURVAS DE OPERACIÓN DE LOS RELÉS

107

3.3.3.4. PROTECCIÓN POR SOBRECORRIENTE DE SECUENCIA

NEGATIVA. 108

3.3.4. CALCULO DE AJUSTES PARA RELÉS DE DISTANCIA S.E. SAN GABÁN

138

KV 108

3.3.4.1. L.T. SAN GABÁN - MAZUCO 138 KV (L-1014)...............................108

3.3.5. S.E. MAZUCO 138 KV.............................................................................115

3.3.5.1. L.T. MAZUCO - SAN GABÁN 138 KV (L-1014)...............................115

3.3.6. CALCULO DE AJUSTES PARA RELÉS DE SOBRECORRIENTE........122

3.3.6.1. AJUSTES REFERENCIALES PARA EL CALCULO.........................122

3.3.6.2. CONSIDERACIONES PARA EL COORDINAMIENTO.....................124

3.3.6.3. COORDINAMIENTO PARA FALLAS ENTRE FASES......................125

3.3.6.4. COORDINAMIENTOPARAFALLAA TIERRA....................................128

3.3.6.5. CONCLUSIONES DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN EXISTENTE. 135

3.4. SISTEMAS DE COMUNICACIÓN..................................................................136

3.4.1. SISTEMA DE ONDA PORTADORA........................................................136

3.4.2. TELEPROTECCION................................................................................137

3.4.3. ESQUEMAS DE PROTECCIÓN.............................................................137

3.5. ANÁLISIS DE FALLAS...................................................................................138

CAPITULO IV. ANÁLISIS DE ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN DEL SISTEMA DE PROTECCIÓN DE LA

LINEA

DE TRANSMISIÓN..............................................................................................................................................145

4.1. INTRODUCCIÓN...........................................................................................145

4.2. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN...................................................................145

4.3. ANÁLISIS DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN....................................145

4.3.2. COMPORTAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE SOBRECORRIENTE DIRECCIONAL Y DISTANCIA FRENTE A FALLAS DE ALTA IMPEDANCIA......146

4.3.3. PROPUESTA 01: EL RELEVADOR DE COMPARACIÓN DIRECCIONAL DE SECUENCIA NEGATIVA COMO PROPUESTA PARA MEJORAR LA SENSIBILIDAD DE LOS ESQUEMAS DE PROTECCIÓN PARA FALLAS DE ALTA IMPEDANCIA........................................................................................................149

4.3.4. PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE LINEA (87L).....................................173

4.3.4.1. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN.........................................................173

4.3.4.2. LÍNEAS CON DOS EXTREMOS......................................................175

4.3.4.3. PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE ALTA IMPEDANCIA..................176

4.3.4.4. CRITERIOS DE AJUSTE..................................................................178

4.3.4.5. MEDIOS DE COMUNICACIÓN........................................................180

4.3.4.6. PROPUESTA 02: EL RELEVADOR SENSIBLE DIFERENCIAL DE LÍNEA COMO PROPUESTA PARA PROTECCIÓN DE FALLAS DE ALTA IMPEDANCIA.. 181

4.4. SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA ADECUADA PARA LA SOLUCIÓN DELPROBLEMA..............................................................................................................185

CAPITULO V. APLICACIÓN DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA...........................................................189

5. INTRODUCCIÓN...............................................................................................189

5.2. APLICACIÓN DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA...............................189

5.2.1 PROPUESTA DE CÓMO APLICAR EL REVELADOR SENSIBLEDIFERENCIAL DE LÍNEA EN LA LÍNEA SAN GABÁN MAZUCO EN 138 KV.....189

5.2.1.1 CRITERIOS DE ACTUACIÓN DE PROTECCIÓN DIFERENCIALLONGITUDINAL................................................................................................190

5.2.1.2 AJUSTES PROPUESTOS DEL RELÉ SENSIBLE DIFERENCIAL DE LÍNEA

195

5.3 SIMULACIÓN REVELADOR SENSIBLE DIFERENCIAL DE LÍNEA EN LA LÍNEA SAN GABÁN MAZUCO EN 138 KV..............................................................201

5.4 DETERMINACIÓN DE RESULTADOS..........................................................201

BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................................................202

CONCLUSIONES................................................................................................................................................203

RECOMENDACIONES.......................................................................................................................................204

ANEXOS.............................................................................................................................................................. 205

CAPITULO I

1.1. INTRODUCCIÓN

La red de transmisión eléctrica San Gabán II - Mazuco, está compuesta de 68.85 km

de líneas de 138 kV, entre las Sub Estaciones de San Gabán y Mazuco. La línea de

transmisión se encarga de conectar la Sub Estación de San Gabán y Mazuco entre

sí y con la central Hidroeléctrica de San Gabán II para formar parte del sistema

interconectado que permite el flujo de energía eléctrica desde el sitio de generación

hasta el consumidor final.

El sistema de protección de una línea de transmisión constituye un elemento clave

en el funcionamiento de un sistema eléctrico, ya que su diseño, coordinación y

tiempo de protección ante fallas en la red, condicionan la calidad del suministro y la

estabilidad operativa, donde debe tomarse hasta la perturbación más leve para

estudiarla y analizarla.

Como resultado se trata de proteger las líneas de transmisión de una manera rápida

y eficiente, lo que tendrá como efecto un funcionamiento óptimo y fiable del sistema

eléctrico, mejorando la calidad del servicio, aunque ello suponga un esfuerzo

económico y organizativo por parte de las empresas en este caso Electro Sur Este

S.A.Ac, para la mejora y renovación de los correspondientes equipos de medida y

protección.

Todo el análisis que se realiza para la protección de la línea de transmisión, se toma

en cuenta todos los factores y parámetros que en la misma influyen. Se presenta un

análisis de estos parámetros que son indispensables para el estudio del presente

trabajo y coordinar una protección eficiente ante una perturbación. Donde igualmente

se consideran las diferentes fallas y los efectos que ocasionan en un sistema

eléctrico de potencia.

Entre los diferentes tipos de fallas que se pueden presentar en una línea de

transmisión de alta tensión están: cortocircuitos (entre línea - línea, línea -tierra y

trifásicos), falla en serie (linea a tierra con alta impedancia). Se analizará en forma

precisa los valores de tiempos críticos de eliminación de fallas, en función de su

posición en el sistema.

Las fallas en serie presentan corrientes de falla tan pequeñas que son generalmente

confundidas por la operación normal del sistema de transmisión, los cuales no son

detectados por los sistemas de protección implementado en las subestaciones de

potencia de Mazuco y San Gabán. Es por ello que los ingenieros de las empresas

eléctricas necesitan indudablemente poder detectar y reparar rápidamente una línea

caída. Sin embargo, para ello primero han de identificar y analizar con fiabilidad los

fallos causados por el contacto de los conductores con tierra. Pero por desgracia se

presenta un problema cuando la línea caída provoca una falla de alta impedancia.

En los sistemas de protección contra cortocircuitos en una línea de transmisión de

alta tensión, se utilizan diferentes métodos de protección fundamentalmente de

cuatro tipos: Protección de distancia, protección de sobre intensidad direccional,

protección diferencial y protección de comparación de fase.

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En el recorrido de la línea de transmisión San Gabán - Mazuco en 138 KV, propiedad

de Electro Sur Este S.A.A., atraviesa diferentes zonas climáticas y geográficas con

un desnivel considerable, por lo que está expuesta a diversos fenómenos

atmosféricos. A lo largo del tiempo de su operación se han presentado situaciones

de pésima operación en el sistema de protección de esta línea de transmisión, ante

fallas que son generalmente confundidas por condiciones normales de operación del

sistema, y no son detectados por las protecciones implementadas en las

subestaciones adyacentes, puede ser debido a un mal ajuste de protecciones,

deficiente coordinación o la selección de los equipos no son los adecuados.

Una Falla de Alta Impedancia por caída de un conductor al piso se produce cuando

el conductor, todavía energizado, establece contacto eléctrico con tierra o dos fases

mediante un material de valor elevado de impedancia. Todos estos materiales tienen

en común el hecho de que reducen la circulación de corriente hacia el punto de la

falla hasta un nivel que no puede ser detectado fiablemente por los sistemas

convencionales de protección. Estas fallas tienden a mostrar no sólo bajas corrientes

de falla, sino también un comportamiento aleatorio, con fluctuaciones amplias e

inestables del nivel de corriente.

Por lo tanto el problema es que el sistema de protección no está operando

correctamente y en consecuencia requiere ser mejorado.

Ante la ocurrencia de estas fallas, se presentan problemas de calidad de energía, de

la misma manera se presentan riesgos para la vida humana como para los equipos,

los cual es perjudicial para los usuarios del departamento de Madre de Dios que en

los últimos años viene experimentando un crecimiento en su demanda energética. La

formación de arcos también puede provocar incendios, por ello la detección y

posterior eliminación se ha convertido una cuestión de seguridad pública más que

una situación de protección al equipamiento del sistema de potencia. Finalmente las

implicancias representan pérdidas económicas para la empresa concesionaria en

este caso Electro Sur Este S.A.A y los usuarios que son los directamente afectados

por la ausencia de servicio.

1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Los métodos a desarrollarse ayuda a mejorar el sistema de protección de la línea de

transmisión.

1.4. OBJETIVOS:

1.4.1. OBJETIVO GENERAL

Desarrollar el estudio de un sistema de protección que permita despejar las fallas en

serie en la línea de transmisión San Gabán - Mazuco en 138 kV.

1.4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Dentro de los objetivos específicos se tiene.

• Evaluar la operación del sistema de protección actual en la línea L-1014 (San

Gabán - Puerto Maldonado).

• Analizar métodos o alternativas de solución que nos ayuden a mejor el sistema de

protección de la línea de San Gabán - Mazuco en 138 kV.

• Desarrollar la alternativa de solución más conveniente.

1.5. JUSTIFICACIÓN DEL ESTUDIO

• Un sistema eléctrico de potencia tiene la finalidad de transmitir la potencia que

requiere el cliente, por lo tanto es de mucha importancia mantener la continuidad

de servicio y protegerlo contra las diversas fallas que puedan presentarse, de

esta manera garantizar la confiabilidad del sistema y evitar daños al equipo,

animales y personas.

• Como se sabe, la línea de transmisión es un elemento importante del sistema

eléctrico, así mismo, son los más propensos a fallas debido a su gran longitud y

exposición a la intemperie. Por lo tanto, en caso de presentarse una falla, estas

deben ser liberadas de la manera más rápida posible; ya que una falla de larga

duración, además de ser peligrosa para los equipos y las personas, representa un

gran costo para la empresa, estas razones requieren que la liberación rápida de

fallas sea indispensable.

• El estudio de fallas en serie se ha limitado solo a información teórica, es el caso

de que en muchos estudios de protección no se realizan los criterios ni ajustes

para su despeje, Tal es el caso que el COES no los contempla en sus criterios y

ajustes de protección.

1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES

• El estudio comprenderá la evaluación del esquema de protección de la línea L-

1014 (San Gabán - Mazuco). Se analizará cómo actúa ante eventos de fallas

shunt y fallas en serie, si la metodología de reconocimiento de fallas es suficiente

o no. Por tanto se lograra establecer ajustes y/o implementación de protección

ante estas fallas en la línea.

• Las limitaciones para el desarrollo de la presente tesis esta relacionado

principalmente por la facilidad de contar con equipos con tecnología actualizada

para poder realizar las pruebas.

1.7. HIPÓTESIS Y VARIABLES

1.7.1. HIPÓTESIS GENERAL

El estudio de reformulación de protección de la línea permitirá la detección de fallas

en serie y shunt utilizando modelos matemáticos y herramientas modernas que

mejorara su operación.

1.7.2. HIPÓTESIS ESPECIFICAS

s La evaluación del sistema actual de protección de la línea de transmisión,

permitirá conocer las deficiencias del sistema de protección. s Proponer

alternativas de solución posibilitara al estudio elegir la alternativa más

conveniente de acuerdo a las necesidades de la protección de la línea de

transmisión objeto de estudio. s Un desarrollo acorde de la alternativa elegida

permitirá hacer un diseño de la

protección conveniente que responda a los eventos posibles que puedan

suceder.

1.7.3. VARIABLES

Las variables que se analizara son las siguientes.

VARIABLES INDEPENDIENTES

o Topología de la red o

Cambios climáticos.

VARIABLES DEPENDIENTES

o Corriente de ajuste.

o Impedancia característica de la línea.

VARIABLES INTERVINIENTES

o Demanda o

Tiempo

1.8. METODOLOGÍA.

El tipo de investigación que se empleara en el trabajo de tesis es del tipo Explicativa,

porque se analizara el comportamiento del sistema de protección ante fallas en serie

y shunt; es explicativa por que busca encontrar las causas por que el mal

funcionamiento de las protecciones ante algunas fallas que se presentan en la línea

y poder encontrar una solución adecuada que garantice un mejor performance del

sistema.

La recopilación de datos se realizara utilizando tecticas de Observación que permita

obtener información para este estudio; asi también la técnica de recopilación

documental; debido a que se desarrollara una recolección sistemática de la

información contenida en textos, artículos relacionados con el estudio, informes de

fallas, mapas, sitios web relacionados con el COES, OSINERGMIN.

El procesamiento de datos se ralizara con la ayuda programas informáticos como

son: Digsylent versiones 13.2, 14.0 y 14.0.523, ATP y Excel.

El análisis de la información se desarrollara utilizando la técnica de análisis

cuantitativo, puesto que se examinara los datos de manera científica, y en forma

numérica, con ayuda de herramientas de campo como la de la estadística.