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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELASUPERIORDEINGENIERIAMECANICAYELECTRICA
UNIDADPROFESIONALADOLFOLPEZMATEOS
COORDINACIN DE PROTECCIONES CONTRA CORTO CIRCUITO EN LNEAS DE TRANSMISIN POR MEDIO DE UN SOFTWARE COMERCIAL
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN: GARCA ALCNTARA EDSON MAURICIO
MONTIEL RODRGUEZ JAVIER IVN
ASESOR:
DR. DAVID SEBASTIN BALTAZAR
MXICO, D.F. A 3 DE DICIEMBRE DE 2009
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EIECTRICISfA POR LA OPCION DE TITULACION TESIS YEXAMENORALINDIVIDUAL DEBERA(N) DESARROLLAR C. EDSONMAURICIOGARCAALCNIARA
C. ]AVIERIVNMONTIELRODRGOEZ
"COORDINACIN DE PROTECCIONES CONTRA CORTO CIRCUITO EN LNEAS DE TRANSMISIN, POR MEDIO DE UN SOFTWARE COMERCIAL".
. - lt ~
DE LOS RELEVADORES
A 16 DE AGOSTO DE 2010
ASESORES
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AGRADECIMIENTOS
Durante todos estos aos he tenido el apoyo incondicional de muchas personas tanto en
lo acadmico como en lo personal, a todos quiero agradecer su tiempo, sus palabras, su
apoyo y sus consejos que aunque parecieran insignificantes, para mi fueron de gran
utilidad y motivacin.
En primer lugar quiero agradecer a mi profesor y asesor de tesis, Dr. David Sebastin
Baltazar por su paciencia, apoyo y confianza, en m como persona y durante todo el
trabajo. Gracias por su tiempo y sus consejos para hacer de este trabajo lo mejor posible.
En segundo lugar, agradezco a mi compaero de tesis y amigo Javier Ivn Montiel
Rodrguez, quien con su dedicacin y buenos aportes me ayudo para poder realizar juntos
este trabajo.
En tercer lugar, agradezco de manera significativa a mi hermano Mario Alberto, siempre
estuviste soportndome cuando a altas horas de la madrugada yo segua trabajando en
este proyecto y nunca me reprochaste nada, al contrario me decas que me
despreocupara. Tambin agradezco el aporte material que me facilitaste para realizar esta
ardua tarea.
Por ltimo, y no por eso menos importante, quiero agradecer de todo corazn a quienes
han estado conmigo en las buenas y en las malas, desde que nac hasta la fecha, a mis
padres rosa Mara Alcntara Lpez y Mario Alberto Garca Camacho, sin ustedes no
hubiera sido posible ningn logro en mi vida, los amo y nunca olvidare las situaciones
difciles que tuvieron que pasar para darme todo el apoyo que me ayudo a ser lo que
ahora soy.
EDSON MAURICIO GARCA ALCNTARA
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AGRADECIMIENTOS
La presente Tesis es un esfuerzo en el cual, directa o indirectamente, participaron varias
personas leyendo, opinando, corrigiendo, teniendo paciencia, dando nimo,
acompaando en los momentos de crisis y en los momentos de felicidad.
La cual est dedicada a mis padres:
Mis hroes, los siervos inalcanzables de entrega y devocin para esta alma y sus
necesidades e infinita proteccin.
Gracias por toda su valiosa enseanza, pero sobre todo, gracias por su amor.
A mis profesores:
Por habernos enseado el hbito de estudiar, por habernos inculcado ha no solo pensar
en grande si no ha ser grandes.
Porque sin su valiosa gua nada de esto podra haberse culminado.
De corazn, muchas gracias
JAVIER IVN MONTIL RODRGUEZ
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NDICE GENERAL
CAPTULO 1 INTRODUCCIN
1.1 INTRODUCCIN..1 1.2 OBJETIVO ................................................................................................................................ 2 1.3 JUSTIFICACIN ...................................................................................................................... 2 1.4 ALCANCES DEL TRABAJO .................................................................................................. 3 1.5 ESTRUCTURA DE LA TESIS ............................................................................................... 4
CAPTULO 2 CORTOCIRCUITO
2.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................................... 6 2.2 TIPOS DE FALLAS POR CORTOCIRCUITO Y SUS EFECTOS .................................... 6 2.3 EFECTO INFEED .................................................................................................................... 8
2.3.1 Resistencia de falla............................................................................................. 9 2.4 IMPORTANCIA DE LA SELECCIN DE PROTECCIONES CONTRA FALLAS DE CORTOCIRCUITO ............................................................................................................................ 10 2.5 MTODO DE LAS COMPONENTES SIMTRICAS ....................................................... 12
2.5.1 Clculo de cortocircuito empleando componentes simtricas ........................... 16 2.5.1.1 Ejemplo usando componentes simtricas ........................................................... 18
CAPTULO 3 SISTEMAS DE PROTECCIN 3.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................... 24 3.2 PRINCIPALES ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIN ....................... 27
3.2.1 Transformadores de instrumento ...................................................................... 27 3.2.1.1 Transformadores de corriente (TCs)............................................................. 28 3.2.1.2 Transformadores de potencial (TPs) ............................................................ 30
3.2.2 Interruptores ..................................................................................................... 31 3.2.3 Relevadores ..................................................................................................... 31 3.2.4 Banco de bateras ............................................................................................ 32
3.3 CARACTERSTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIN .................................... 32 3.3.1 Confiabilidad ..................................................................................................... 33 3.3.2 Selectividad ...................................................................................................... 35 3.3.3 Velocidad .......................................................................................................... 35 3.3.4 Simplicidad ....................................................................................................... 36 3.3.5 Economa ....................................................................................................... 37
3.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL SISTEMA DE PROTECCIN ........................ 37 3.4.1 Economicos ...................................................................................................... 37 3.4.2 Factor de personalidad ..................................................................................... 38
3.4.3 Ubicacin de dispositivos de entrada y desconexin. ........38 3.4.4 Disponibilidad de indicadores de falla ............................................................... 38
3.5 FUNDAMENTOS DE PROTECCIN....................................................................... 39 3.5.1 Proteccin de distancia y sobrecorriente (soluciones de coordinacin)....... .......39
3.5.1.1 Solucin por tiempo ..................................................................................... 41 3.5.2 Proteccin de respaldo: remota contra local...................................................... 41
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CAPTULO 4 RELEVADORES DE PROTECCIN 4.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................... 43 4.2 FUNCIONAMIENTO DEL RELEVADOR DE PROTECCIN ................................... 43
4.2.1 Operacin correcta ........................................................................................... 43 4.2.2 Operacin incorrecta ........................................................................................ 44 4.2.3 Operacin indefinida ......................................................................................... 44
4.3 RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE-TIEMPO ............................................... 45 4.4 RELEVADORES DE DISTANCIA DE FASE ............................................................ 46 4.5 DIAGRAMA R-X ...................................................................................................... 46 4.6 CARACTERSTICA MHO ........................................................................................ 47 4.7 RELEVADORES DE DISTANCIA DE TIERRA ........................................................ 48 4.8 PRINCIPIOS DE APLICACIN DEL RELEVADOR ................................................. 49
CAPTULO 5 PROTECCIN DE LINEAS 5.1 CLASIFICACIN DE LINEAS Y ALIMENTADORES ............................................... 51 5.2 CLASIFICACIN DE LINEAS PARA PROTECCIN ............................................... 51 5.3 LINEAS DE TRANSMISIN Y SUBTRANSMISIN ................................................ 52 5.4 TECNICAS Y EQUIPO PARA PROTECCIN DE LINEAS ...................................... 53 5.5 TRANSFORMADORES ........................................................................................... 54
CAPTULO 6 COORDINACIN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIN
6.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................... 57 6.2 CRITERIO GENERAL DE AJUSTE Y FUNDAMENTOS DE COORDINACIN ....... 58
6.2.1 Ajuste del relevador de sobrecorriente-tiempo de fase ...................................... 58 6.2.2 Ajuste del relevador de sobrecorriente-tiempo de tierra .................................... 59
6.2.3 Ajuste de relevadores de sobrecorriente instantneos de fase y de tierra...........60 6.3 PROTECCIN DE DISTANCIA PARA FALLAS DE FASE ..................................... .61 6.4 APLICACIONES DE RELEVADORES DE DISTANCIA EN SISTEMAS PROTE-GIDOS CON RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE DE TIEMPO INVERSO ............. 65 6.5 PROTECCIN DE LINEAS CONTRA FALLAS A TIERRA ...................................... 65 6.6 PROTECCIN DE DISTANCIA PARA FALLAS A TIERRA Y DIRECCION DE LA SOBRECORRIENTE........66
CAPTULO 7 EJEMPLOS PRACTICOS DE COORDINACIN DE RELEVADORES UTILIZANDO EL SOFTWARE
7.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................... 68 7.2 EJEMPLO DE AJUSTE DE TIEMPO DE OPERACIN ENTRE DOS RELEVADORES DE DISTANCIA...69 7.3 AJUSTE DE LOS RELEVADORES DE DISTANCIA Y DE SOBRECORRIENTE......81
7.3.1 Ajuste de zonas de los relevadores de distancia a su respectivo porcentaje de lnea de acuerdo a los criterios de proteccin.82
7.3.1.1 Comprobacin de los ajustes del relevador de distancia...................................90
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7.3.2 Coordinacin de un relevador de distancia con un relevador de sobre- corriente para proteger un transformador de potencia........................................... .... ......92
7.4 AJUSTE Y COORDINACIN DE LOS RELEVADORES DE DISTANCIA.................97 7.4.1 Ejemplo de ajuste y coordinacin de relevadores de distancia ....................... 100
7.4.1.1 Ajustes del relevador ................................................................................... 100 7.4.1.2 Simulacin de fallas y re-ajustes de zonas de proteccin ............................ 103 7.4.1.3 Coordinacin de relevadores de distancia ................................................... 106 7.4.1.4 Anlisis de resultados ................................................................................. 109 7.4.1.5 Operacin simultnea de un grupo de relevadores ..................................... 111
7.5 AJUSTE Y COORDINACIN DE RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE ....... 112 7.5.1 Ejemplo de ajuste y coordinacin de relevadores de sobrecorriente ............... 112
7.5.1.1 Resmen para el ajuste de los relevadores de sobrecorriente .................... 116 7.5.1.2 Coordinacin del interruptor 1 ante falla cercana F1 ................................... 117 7.5.1.3 Coordinacin del interruptor 1 ante falla de extremo de lnea ...................... 120 7.5.1.4 Coordinacin del interruptor 2 ante falla cercana F2 ................................... 124 7.5.1.5 Coordinacin del interruptor 4 ante falla de bus remoto F-ARK ................... 127
7.5.1.6 Anlisis de resultados............................................................................................130 7.6 AJUSTE Y COORDINACIN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIN PARA TRANSFORMADORES DE LA SUBESTACION EL CONDE ................... 131
7.6.1 Valores y datos iniciales para determinar ajustes y coordinacin de dispositivos de proteccin de transformadores....133 7.6.2 Determinacin de la curva de dao del transformador ECPU-T1 ................134 7.6.3 Clculo de ajustes de proteccin para ECPU-T1 (lado 115 kV -72010)........... 139
7.6.3.1 Clculo de ajustes del relevador de fase 51F .............................................. 139 7.6.3.2 Clculo de ajustes del relevador de tierra 51N ............................................ 141
7.6.4 Clculos de ajustes de proteccin para ECPU T1 (lado 13.8 kV -42010)............143 7.6.4.1 Clculo de ajustes del relevador de fase 51F .............................................. 143 7.6.4.2 Clculo de ajustes del relevador de tierra 51N ............................................ 145
7.6.5 Clculo de ajustes de proteccin para planta industrial (lado carga 4010) ...... 147 7.6.5.1 Clculo de ajustes del relevador de fase 51F .............................................. 147 7.6.5.2 Clculo de ajustes del relevador de tierra 51N ............................................ 148
7.6.6 Simulacin de fallas y resultados .................................................................... 150 7.6.7 nalisis de resultados ..................................................................................... 156 7.6.8 Conclusiones .................................................................................................. 160 CAPTULO 8 CONCLUSIONES GENERALES..................162 REFERENCIAS...163 APNDICE A .USO DE ASPEN ONE LINER PARA ANLISIS DE COORDINACIN DE PROTECCIONES164
A.1 INTRODUCCIN .................................................................................................. 164
A.2 FUNCIONES ........................................................................................................ 164 A.2.1 Funciones usadas en este estudio .................................................................. 165
A.2.1.1 One liner ..................................................................................................... 165 A.2.1.2 Editor de relevadores de sobrecorriente ...................................................... 165 A.2.1.3 Editor de relevadores de distancia .............................................................. 165
A.3 CARACTERSTICAS PRINCIPALES .................................................................... 166 A.4 COMO INICIAR A USAR EL SOFTWARE ............................................................. 166
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A.5 NOMENCLATURA DE BUSES Y RELEVADORES ............................................... 168 A.6 ADICIN Y ELIMINACION DE RELEVADORES ................................................... 170 A.7 SIMULACIN DE FALLAS .................................................................................... 172
A.7.1 Valores de corriente (de secuencia y de fase) ................................................ 173 A.7.2 Adaptacin de buses ficticios .......................................................................... 174
A.8 TIEMPOS DE OPERACIN DE RELEVADORES ................................................. 177 A.9 GRFICAS DE OPERACIN...........................................................................................177
A.9.1 Relevadores de sobrecorriente ....................................................................... 179 A.9.2 Relevadores de distancia................................................................................ 181
APNDICE B CRITERIOS DE AJUSTE Y COORDINACIN DE PROTECCIONES .......... 182
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CAPTULO 1
1.1 INTRODUCCIN
La ingeniera elctrica es una de las ciencias ms complejas, por esta razn el estudio
del sistema elctrico de potencia requiere de un anlisis detallado de cada uno de sus
componentes. Para que exista un funcionamiento correcto de cada uno de los
elementos de la red, as como tambin para garantizar la continuidad y por ende la
satisfaccin de los usuarios, se debe de contar con una buena planeacin, diseo y
construccin para un funcionamiento ptimo del sistema elctrico de potencia. Esto
nos conduce a la necesidad de predecir el comportamiento de dicho sistema en caso
de fallas, ya que estas podran daar severamente el equipo y adems, sera
interrumpida la continuidad del funcionamiento de la red elctrica. Por esta razn, se
debern emplear herramientas ms poderosas y sofisticadas que ayuden a analizar y
hacer menos difcil el estudio de los problemas en el sistema de potencia.
Por las razones mencionadas anteriormente, los elementos que juegan un papel
importante en la continuidad y mayor tiempo de vida del equipo, son los dispositivos de
proteccin. Un sistema de proteccin debe ser capaz de operar lo ms rpido posible,
de tal forma que si se presenta una falla, el sistema de potencia no se vea afectado y
disminuya su confiabilidad. Debido a esto, el sistema de potencia cuenta con equipo
de proteccin diseado para actuar dentro de ciertos lmites. Para una respuesta ms
precisa y rpida ante una falla, el sistema de potencia posee dispositivos automticos
que operan de tal forma que al presentarse un problema que sobrepase estos lmites
de los elementos de proteccin, este se asla protegiendo as al resto de los elementos
de la red elctrica. Por otro lado, si al ocurrir una falla el sistema sigue operando por
encima de los lmites para el que fue diseado, existir el riesgo de la desconexin de
algunos otros equipos en la red. Si este problema no se resuelve a tiempo, el sistema
completo o grandes partes del mismo podran colapsarse, llegando incluso a una
interrupcin del servicio. Es por esta razn que los dispositivos de proteccin deben
operar desde la presencia de una falla inicial para evitar su propagacin hacia el resto
del sistema.
Las protecciones juegan un papel muy importante en la estabilidad del sistema, ya que
como se mencion anteriormente, deben aislar una falla en el menor tiempo posible.
Las fallas deben ser controladas para garantizar el suministro de energa elctrica a
los usuarios, y de este modo se cumplir con los objetivos establecidos de seguridad,
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calidad, continuidad y economa, ya que al evitar los daos al equipo se reducirn
costos.
En este trabajo, los dispositivos de proteccin que se analizarn son relevadores de
sobrecorriente y de distancia, ya que solo se enfocar a las lneas de transmisin del
sistema de potencia. Uno de los problemas ms comunes en este elemento del
sistema es el corto circuito, por lo que se ver a detalle cmo prevenir los daos y
resolver este tipo de problema por medio de clculos para el diseo de las
protecciones, las cuales deben ser capaces de combatir esta sobrecorriente. En
conjunto con los relevadores de proteccin estn los interruptores, los cuales van a
realizar la interrupcin del circuito elctrico y as evitar que se dae ms equipo de la
red. Un relevador sin interruptor no tiene sentido, ya que uno es el que detecta y luego
ordena la desconexin y otro la ejecuta. Para llevar a cabo estas funciones, se debe
contar con una excelente coordinacin de protecciones, ya que de esto depende la
rapidez con que se aisl la falla; para facilitar la coordinacin de protecciones y el
ajuste de los dispositivos de proteccin, se empleara un software comercial, el cual es
una herramienta sofisticada para el modelado de relevadores que actuarn en la red,
simulacin de fallas y otras caractersticas que se explicaran con ms detalle en
captulos posteriores. Este trabajo tiene la finalidad de realizar distintas simulaciones
para lograr, de acuerdo a los resultados y el anlisis, la coordinacin de protecciones.
1.2 OBJETIVO
Analizar el comportamiento de la red ante condiciones de falla empleando un software
para realizar el clculo y ajuste de todos los dispositivos de proteccin existentes en
lneas de transmisin con la finalidad de evitar disparos innecesarios, debido a la falta
de coordinacin entre estos elementos. Probar la metodologa descrita para el ajuste
de relevadores, mediante la evaluacin de respuesta de estos dispositivos los cuales
protegen el sistema elctrico de potencia.
1.3 JUSTIFICACIN
Un aspecto importante a considerar en la operacin y planeacin de los sistemas
elctricos de potencia es su comportamiento en condiciones de falla. Debido a esto se
debe tener en cuenta que un equipo o sistema elctrico puede sufrir daos severos
que son costosos y peligrosos. En este estudio, se pone especial atencin en las
lneas de transmisin, ya que de estas depende el abastecimiento de energa en todo
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el sistema de potencia, por lo que es necesario disear las instalaciones en tal forma
que contengan los elementos de proteccin adecuados.
Una de las fallas ms importantes a considerar es el corto circuito, por lo que se debe
contar con una herramienta de aplicacin concreta para analizar estos problemas. Por
el tamao de la red y la cantidad de elementos que intervienen, es necesario emplear
un software que ayude en el diseo a fin de prevenir estos efectos y plantear los
dispositivos de proteccin indicados y la coordinacin de los mismos.
Este mtodo de coordinacin permite al usuario evaluar los ajustes de los elementos
de proteccin en las lneas de transmisin por medio del software llamado ASPEN
ONE LINER. Este programa tiene una gran utilidad ya que aparte de la coordinacin
de dichas protecciones, permite realizar el anlisis de corto circuito en puntos
especficos simulando fallas en todo el sistema y de forma simultnea. Adems, este
mtodo puede ser empleado para realizar un sinfn de pruebas ya que ofrece un
modelado de elementos tales como: generadores, cargas, lneas de transmisin,
transformadores, cambiadores de fase, etc. Otra aplicacin de este programa es la
localizacin de fallas en uno o varios nodos de la red, gracias a su calculo de
equivalentes de frontera.
Trabajar con un software como este nos ofrece una gran conveniencia ya que no
representa riesgo alguno para el usuario gracias a que su ambiente es totalmente
grfico para editar la red, hacer anlisis y mostrar resultados.
1.4 ALCANCE DEL TRABAJO
Con este trabajo se pretende mostrar la coordinacin entre dispositivos de proteccin,
en este caso relevadores de distancia y de sobrecorriente para proteger al equipo que
se encuentra dentro de la red de trabajo, como son: Lneas y transformadores.
Para el desarrollo de este trabajo se cuenta con un software que permite realizar dicha
coordinacin;(Aspen One Liner). Este software proporciona las herramientas
necesarias para el ajuste y coordinacin de los relevadores.
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1.5 ESTRUCTURA DE LA TESIS
Captulo 1. Es la presentacin del trabajo, en donde se plantea a que se quiere llegar
con este estudio, esto es el objetivo. Para explicar porque es til desarrollar la tesis y
que beneficios tiene, se cuenta con una justificacin en donde se presentan los
argumentos para llevar a cabo el estudio, y tambin el alcance que tiene.
Captulo 2. Aqu comienzan los aspectos tericos, los cuales son necesarios para
tener una base solida durante el desarrollo de la tesis. Este captulo consta de la
principal causa por la cual son indispensables las protecciones, esta es la presencia
de fallas por corto circuito. Esto viene complementado con los tipos de fallas, efectos
que tiene en el sistema elctrico de potencia y mtodos para conocer su magnitud
segn las caractersticas de operacin de la red, en este caso el mtodo de
componentes simtricas.
Captulo 3. Se habla del sistema de proteccin, caractersticas, factores que influyen
en su funcionamiento y elementos que lo componen. Hablar del sistema de proteccin
es importante debido a que es este sistema el que evitara daos al equipo elctrico y
personal que lo opera. Estos elementos de proteccin son la principal causa de este
trabajo, ya que lo que se persigue es su coordinacin para aislar la zona con falla.
Captulo 4. Para la realizacin de la tesis solo se emplea un dispositivo de proteccin,
este es el relevador. Ms en particular, los tipos de relevadores que se analizan son
los de sobrecorriente de tiempo inverso y los de distancia. En este captulo se
explican sus caractersticas principales, funcionamiento y aplicaciones en la proteccin
del sistema elctrico de potencia.
Captulo 5. En este estudio la aplicacin de los relevadores es en lneas de
transmisin, y aqu se presenta su clasificacin y las tcnicas para proteger de manera
adecuada este elemento del sistema.
Captulo 6. Es la parte en donde comienza el principal objetivo de esta tesis, es decir
la coordinacin de protecciones. En este captulo se presentan las bases tericas para
realizar los diferentes ajustes de los dos tipos de relevadores a emplear.
Captulo 7. Es el capitulo en donde se realiza la experimentacin por medio del
software para lograr la coordinacin de protecciones. Es aqu donde se analiza el
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proceso de coordinacin y se determinan los criterios para ajustar los relevadores que
debern operar de manera coordinada para aislar una falla de cualquier tipo. Para
realizar esta experimentacin se presentan varios casos a modo de contar con
resultados suficientes que proporcionen la confiabilidad en este mtodo de
coordinacin.
Captulo 8. Por ltimo se muestran las conclusiones en base a los resultados que se
obtuvieron. Es la parte ms importante, ya que aqu se argumenta de manera definida
que esta tesis es til para la coordinacin de protecciones por medio del software
empleado
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CAPTULO 2. CORTO CIRCUITO
2.1 INTRODUCCIN Cuando se habla de protecciones, inmediatamente viene a la mente el porqu de esta
proteccin. Sin duda, uno de los aspectos a cuidar en el servicio de transmisin de
energa elctrica, es que este sea continuo. Desgraciadamente no existe un sistema
totalmente perfecto que no est expuesto a distintas fallas ya sea por origen de la
naturaleza o por errores de equipo o incluso humanos. Una de las fallas mas
importantes a considerar es el cortocircuito, el cual es una condicin indeseada por
cualquier ingeniero de protecciones, ya que este tipo de falla puede daar
considerablemente desde un elemento del sistema hasta gran parte de este. Es por
esto que en este estudio se considera este tipo de falla, ya que el trabajo se enfoca a
la proteccin del sistema elctrico de potencia ante situaciones crticas, as, la
coordinacin de protecciones ayudar en el aislamiento de esta falla, de manera
rpida para no daar en demasa el equipo, y por lo tanto tratar de que una mnima
parte del sistema quede fuera de servicio.
Antes de seleccionar los dispositivos de proteccin a utilizar en el sistema elctrico, es
necesario determinar las magnitudes de corriente que podran presentarse en la red
bajo ciertas condiciones de falla. Dependiendo de la complejidad del sistema, la
determinacin de estas magnitudes de falla tambin son algo complicadas.
Afortunadamente, existen varios mtodos para facilitar el clculo de la corriente de
corto circuito, tales como uso de matrices, componentes simtricas, calculo por valores
por unidad, valores base, etc. Estas herramientas tienen por objetivo mostrar un valor,
el cual sirve de base para seleccionar adecuadamente la capacidad interruptiva de los
interruptores y el clculo de los ajustes de los relevadores de proteccin.
2.2 TPOS DE FALLAS POR CORTO CIRCUITO Y SUS EFECTOS La mayora de las fallas que ocurren en los sistemas de potencia, son fallas
asimtricas que consisten en cortocircuitos asimtricos, fallas asimtricas a travs de
impedancias o conductores abiertos. La trayectoria de una corriente de falla de lnea a
lnea o de lnea a tierra puede o no contener impedancia de falla. Uno o dos
conductores abiertos dan como resultado fallas asimtricas a travs de la ruptura de
uno o dos conductores o bien, de la accin de fusibles u otros mecanismos que no
pueden abrir las tres fases simultneamente. El mtodo de las componentes
simtricas es til en un anlisis para determinar las corrientes y valores de tensin en
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todas las partes del sistema despus de que ha ocurrido la falla, porque cualquier falla
asimtrica da origen a que fluyan corrientes desbalanceadas en el sistema.
Una falla puede ser balanceada o desbalanceada. Es balanceada cuando las tres
fases intervienen de manera semejante en el cortocircuito. En una falla
desbalanceada las tres fases intervienen en el cortocircuito de manera diferente.
Tres fases a tierra
Tres fases entre si
Dos fases a tierra
Dos fases entre si
Una fase a tierra
Basndose en datos estadsticos en los cuales se puede ver la ocurrencia de fallas en
los sistemas elctricos, se puede observar en trminos generales que la falla por corto
circuito que tiene la probabilidad ms alta de ocurrencia es la denominada de lnea a
tierra y en orden descendente seguira la de lnea a lnea quedando en ltimo trmino
la falla trifsica cuya ocurrencia se presenta principalmente por errores humanos.
La falla de lnea a tierra puede tener su origen en distintas causas como pueden ser
fallas en los aislamientos, contacto de un conductor de fase con estructuras, carcasas,
descargas atmosfricas, contactos de ramas de rbol con conductores, entre otros.
La corriente de corto circuito para este tipo de falla se ve afectada por la forma en que
se encuentran conectados los neutros de los equipos y aparatos conectados a tierra,
ya que representan los puntos de retorno para la circulacin de las corrientes de
secuencia cero, por lo que para el estudio de este tipo de fallas es necesario
considerar la forma en que se encuentran conectadas las redes de secuencia de
acuerdo al punto de falla y en particular en la llamada red de secuencia cero que est
constituida por las impedancias de secuencia cero de los elementos del sistema y el
tipo de conexin.
La determinacin de la corriente total de falla en un punto, se obtiene como la
contribucin de las corrientes de corto circuito de los elementos activos de la red bajo
estudio en ese punto; esto significa que se requiere elaborar un diagrama de
impedancias que considere las secuencias positiva, negativa y cero, a partir de estos
diagramas se obtienen las impedancias equivalentes en cada caso, vistas del punto de
la falla hacia la fuente de alimentacin del corto circuito.
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Las fallas se clasifican en Temporales y Permanentes. Una falla temporal es aquella
que desaparece antes de que se presente un dao severo en el equipo, como
ejemplos se tiene: flameo de aisladores de porcelana, movimiento de conductores por
el aire, etc. Una falla permanente es aquella que persiste independientemente de la
velocidad con la que el circuito es desenergizado, como ejemplo se tienen los
conductores rotos, estructuras cadas, etc.
2.3 EFECTO INFEED Cuando el sistema elctrico tiene una configuracin compleja donde se encuentran
varias centrales interconectadas, las cuales constituyen alimentaciones a las fallas, se
produce un efecto infeed como el que se muestra en la figura 2.1. El efecto infeed
aumenta el valor de la impedancia vista por el relevador en la barra C para fallas ms
all de la barra B, con lo cual el relevador ve las fallas ms all de su real ubicacin.
Figura 2.1 Efecto infeed [7]
A B E
C D
H
G F
Z= md m=slope
Z=md
(1+k)
21
(a) IA IB
I
c
ID
I
F
I
G
IH
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Figura 2.2 Efecto infeed variable segn la posicin de la falla [7]
Es necesario considerar las alternativas de configuracin con y sin el efecto infeed
para determinar los ajustes en las condiciones ms desfavorables. Ms an, si se
tiene un sistema con lneas paralelas, el efecto infeed puede ser variable segn la
ubicacin de la falla, tal como se muestra en la figura 2.2. En este caso, el efecto
infeed para la impedancia vista por el relevador en la barra A depende de la posicin
de la falla en la lnea BC.
En las lneas de transmisin se debe simular fallas por lo menos 25%, 50% y 75% de
la lnea. En los casos en que se tiene efecto de infeed variable se debe simular las
fallas al 10%, 20%, 30%, etc. de la lnea, a fin de determinar las condiciones ms
desfavorables. Las simulaciones de fallas sern de los siguientes tipos:
Fallas monofsicas a tierra sin resistencia de falla
Fallas monofsicas a tierra con alta resistencia de falla
Fallas bifsicas (fase-fase) con resistencia de falla
Fallas trifsicas sin resistencia de falla
2.3.1 Resistencia de Falla
Al producirse una falla no siempre se tiene un cortocircuito franco sino que el
fenmeno suele presentarse con una resistencia de falla que tiene los siguientes
componentes:
La Resistencia del Arco que se produce por la falla, el cual se forma en el aire y tiene
una longitud segn la distancia del aislamiento correspondiente.
ID
IA
IC
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La Resistencia de Puesta a Tierra del punto donde se produce la falla, la cual
corresponde al camino de retorno por tierra hasta la fuente
Para las simulaciones de las fallas en las lneas de transmisin se debe considerar
que la Resistencia de Puesta a Tierra puede ser hasta 50 Ohms. Pero es deseable
modelar valores mayores de 100 Ohms o ms, sobre todo en los siguientes casos:
Un terreno de alta resistividad elctrica, ya que si se tiene una lnea en terreno
rocoso o arenoso de alta resistividad, ser difcil conseguir una buena puesta a
tierra.
El diseo de la lnea sin cable de guarda, ya que el cable de guarda constituye
una conexin que pone en paralelo las puestas a tierra de las estructuras de la
lnea, lo que se traduce en una disminucin de la resistencia de puesta a tierra
en las fallas.
2.4 IMPORTANCIA DE LA SELECCIN DE PROTECCIONES CONTRA FALLA DE CORTO CIRCUITO La seleccin apropiada de los dispositivos de proteccin protectores y de su activacin
adecuada, se basa en los clculos de corto circuito. Un dispositivo de proteccin
contra corto circuito puede definirse como un dispositivo elctrico que se instala en un
circuito para protegerlo contra daos ocasionados por una sobrecarga o corto circuito.
Esto se logra mediante la interrupcin automtica de cualquier corriente que exceda la
capacidad contra corto circuito del dispositivo.
Los estudios de corto circuito en los sistemas elctricos como algunos otros, se hacen
con un propsito especfico, es decir que deben tener una aplicacin concreta para la
solucin de un posible problema. En principio se puede decir que el corto circuito es
una condicin indeseable en un sistema elctrico pero que se puede presentar con
una cierta probabilidad con diferentes orgenes primarios por lo que se debe
considerar esto en el diseo, lo cual se logra con el clculo de corto circuito, con el fin
de prevenir los efectos del corto circuito y proveer al sistema de elementos de
desconexin adecuados, los dispositivos de proteccin indicados y la coordinacin de
los mismos.
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En general se puede mencionar que un estudio de corto circuito sirve para:
1. Determinar las caractersticas interruptivas de los elementos de desconexin
(interrupcin) de las corrientes de corto circuito como son interruptores,
fusibles, restauradores, entre otros.
2. Realizar un estudio para la seleccin y coordinacin de los dispositivos de
proteccin contra las corrientes de corto circuito.
3. Hacer los estudios trmicos y dinmicos debidos a los efectos de las corrientes
de corto circuito en algunos elementos de las instalaciones como son: barras,
tableros, cables, buses de fase aislada, etc.
4. Relacionar los efectos del corto circuito con otros estudios de sistema.
En funcin de lo anterior, se puede ver que es importante para cualquier instalacin
elctrica hacer el estudio de corto circuito, por lo que es necesario saber en principio
que elementos intervienen y en qu forma, as como los valores nominales requeridos
en cada caso.
Con relacin al nivel de tensin al que se debe enfocar el estudio, en el cual para este
caso se debe tomar en cuenta valores de alta tensin para lneas de transmisin, este
anlisis se tendr que realizar con computadora digital debido a la magnitud de la red
y a la cantidad de elementos que intervienen. En este libro se tiene como apoyo para
realizar este clculo el software ASPEN ONE LINER, el cual se presentara ms
adelante.
En los clculos de cortocircuito se debe considerar las impedancias para las
condiciones ms desfavorables, de acuerdo a lo siguiente [7]:
Para los generadores se debe usar las impedancias sub-transitorias no saturadas
Para los transformadores se debe usar las impedancias correspondientes a las
derivaciones (taps) de operacin ms desfavorables.
Para las lneas se debe usar las impedancias propias; y en el caso de lneas en
paralelo, las impedancias mutuas.
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Figura 2.3 Corriente de cortocircuito en fallas cercanas a los generadores. [7]
Los clculos deben permitir determinar no slo las corrientes totales de falla en las
barras de las subestaciones, sino tambin los aportes a las corrientes de falla de cada
circuito conectado a dichas barras. De manera similar se debe calcular las corrientes
de falla en las lneas de transmisin. En la figura 2.3 se muestran las formas de onda
correspondientes a las reactancias en estado transitorio, sub-transitorio y estable, y
tambin en conjunto para visualizar el comportamiento de la corriente de cortocircuito.
2.5 MTODO DE LAS COMPONENTES SIMTRICAS [9] El mtodo de componentes simtricas proporciona una metodologa prctica para
entender y analizar la operacin de un sistema durante condiciones desequilibradas de
potencia, tales como las causadas por las fallas entre fases y tierra, fases abiertas,
impedancias desequilibradas, y as sucesivamente. Adems, muchos relevadores de
proteccin funcionan a partir de cantidades de componentes simtricas.
0.
1
0.2 0.3
Contribucin de la
reactancia
subtransitoria
Contribucin de la
reactancia transitoria
Contribucin de la
reactancia de estado
estacionario
Componente
aperidica
t (s)
Subtransitoria
Transitoria Estado estable
Corriente de corto circuito total
t (s)
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Las fallas y los desbalances frecuentemente ocurren y muchos no requieren un
anlisis detallado. Sin embargo con el uso de la computadora es posible realizar
estudios de fallas con un acceso rpido a los datos voluminosos. En este captulo solo
se revisan las componentes simtricas para los sistemas trifsicos. Para estos
sistemas hay tres ajustes distintos de componentes: positivo, negativo, y cero para la
corriente y la tensin, las cantidades de fase son siempre lnea-a-neutro o lnea-a-
tierra.
Componentes de secuencia positiva.
Grupo formado por tres fasores balanceados (igual magnitud y desfasados
120), secuencia abc, con subndice (1).
Componentes de secuencia negativa.
Grupo de tres fasores balanceados, secuencia opuesta acb, con subndice (2)
Componentes de secuencia cero
Grupo integrado por tres fasores de igual magnitud, sin desfasamiento, es
decir, sin secuencia o simultneos, con subndice (0)
En la figura 2.4 (a, b y c) se muestra la representacin de secuencia positiva, negativa
y cero, por medio de fasores con sus respectivos ngulos de desfasamiento. En 2.4 (d)
se observa un grupo de fasores desbalanceados a partir de sus respectivas
componentes simtricas.
Figura 2.4 a) Componentes de secuencia positiva (a b c) b) Componentes de secuencia negativa (acb). c) Componentes de secuencia cero.
Vc1 = a Va1 Va1
Vb1 = a2 Va1
a)
Vb2 = a Va2
b) Va2
Vc2 = a2 Va2
Va0
Vb0 = Va0
Vc0 = Va0
c)
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Figura 2.4 d) Factores desbalanceados obtenidos a partir de sus componentes simtricas.
De acuerdo a lo anterior se tiene las siguientes ecuaciones para tensiones y corrientes
de secuencia:
Va=Va1 + Va2 + Va0...........Ia=Ia1 + Ia2 + Ia0(2.1)
Vb=Vb1 + Vb2 + Vb0.........Ib=Ib1 + Ib2 + Ib0...............(2.2)
Vc=Vc1 + Vc2 + Vc0....Ic=Ic1 + Ic2 + Ic0(2.3)
En las ecuaciones anteriores, se hace uso del operador a, el cual presenta las
siguientes caractersticas.
El operador a es un numero complejo de magnitud 1 y angulo de 2/3 rad, y de
acuerdo a la figura 2.5, se obtienen los valores de a2 y a3 que se muestran a
continuacin:
a= 1 120 a2= 1240= 1-120
a3= 10
La suma de estos vectores:
a= -0.5 + j0.866
a2= -0.5 - j0.866
a3= 1.0 + j0
a + a2 + 1 = 0.......................................... (2.4)
Vc2
Vc1
Va
Va1
Vb1Vb
Vc0
Vc
d)
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Figura 2.5 Esquema para determinar el operador a
Aplicando el operador a en las ecuaciones (2.1), (2.2) y (2.3), se tiene lo siguiente:
Va = Va0 + Va1 + Va2Ia=Ia0 + Ia1 + Ia2.............(2.5)
Vb = Va0 + a2Va1 + aVa2..Ib=Ia0 + a
2Ia1 + aIa2... (2.6)
Vc = Va0 + aVa1 + a2Va2.Ic=Ia0 +aIa1 +a
2Ia2....(2.7)
La forma matricial para calcular tensiones y corrientes de fase, se representa como:
De las componentes (2.5), (2.6) y (2.7), resulta la ecuacin siguiente:
(Va + Vb + Vc) = 3Va0 + Va1(1+a+a2) + Va2(1+a+a
2)
Por lo tanto:
Va0 =
(Va + Vb + Vc) ..(2.8)
a
1
a2
-0.5
120
120
0.866
0.866
120
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La matriz para calcular tensiones y corrientes de secuencia es:
2.5.1 Clculo de corto circuito empleando componentes simtricas Falla Trifsica
(a) (b)
Figura.2.6 a) Diagramas de secuencia. b) Representacin de falla trifsica.
Aunque en la figura 2.6 (a) se muestran los tres diagramas de secuencia y las tres
fases involucradas en la falla (b), al momento de resolver la matriz correspondiente y
obtener las ecuaciones para determinar los valores de corriente, el nico valor que
existe es la corriente de secuencia positiva.
Condiciones iniciales.
Va = Vb = Vc = 0 .........................(2.9)
Ia + Ib + Ic = 0 .............................(2.10)
Z1
Ia1
Z0Z2
Ia0
Z2
Ia2
b
c
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Aplicando componentes simtricas
Para tensiones:
Y para corrientes
Ia0 =
(Ia + Ib + Ic) = 0 ......................(2.11)
Ia1 =
(Ia + aIb + a2Ic) =
(Ia + Ia + Ia) = Ia ..(2.12)
Ia2 =
(Ia + a2Ib + aIc) =
(Ia + Ib + Ic) = 0 ..(2.13)
Por lo tanto, el nico valor que se puede calcular es la corriente de secuencia positiva:
Ia1 =
= Ia .........................................................(2.14)
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2.5.1.1 Ejemplo usando componentes simtricas.
De acuerdo al diagrama unifilar de la figura 2.7:
Calcular la corriente de falla trifsica en el bus con falla.
Figura 2.7. Diagrama unifilar
Se divide el sistema en tantas zonas como niveles de tensin existan, es decir, cada
transformador es frontera de dos zonas (figura 2.8).
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Figura 2.8 Divisin del sistema en zonas
Se elige una potencia base para todo el sistema de 100 MVA. Por lo regular se toma
como base la potencia ms alta. Tambin se toma una tensin base de 110 KV. La
potencia base, se transfiere sin cambio a las dems zonas, la tensin base se
transfiere a las zonas. A continuacin se muestran las ecuaciones a utilizar para
transferir esta tensin y para calcular la corriente e impedancia base en las zonas.
=
(A) ..(2.15)
=
...(2.16)
..............................................(2.17)
Con los datos proporcionados en el diagrama y la potencia base, se hacen los clculos
correspondientes para cada zona. Los resultados son los siguientes:
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Tabla 2.1 Resultados de transferencia a valores base
ZONA
VALORES BASE
MVAB KVB IB (A) ZB ()
1 100 110 524.8636 121
2 100 13.8 4183.6976 1.9044
3 100 13.8 4183.6976 1.9044
4 100 22 2624.3194 4.84
5 100 13.2 4373.8656 1.7424
Si las impedancias de equipos estn dadas en valores p.u. se realiza el cambio de
bases con bases de transferencia. Para esto se utiliza la ecuacin:
(2.18)
Haciendo los clculos correspondientes, los valores de reactancias son:
Transformadores 1,2,3,4
= j0.800 ,
= j0.3333 ,
= j0.5509 ,
= j0.0666
Lnea 1
Lnea 2
= j0.2314 ,
= j0.4958
= j0.0826 ,
= j0.2892
Lnea 3
Lnea 4
= j0.1487 ,
= j0.4297
= j0.3305 ,
= j0.9917
Generador 1
Generador 2
= j0.9149 ,
= j0.3659
= j0.5489 ,
= j0.3293
Generador 3
= j1.4573 ,
= j0.7286
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Con los valores de reactancias obtenidos, se procede a descomponer el diagrama
original en diagramas de reactancias de secuencia positiva, negativa y cero. (figuras
2.9a, 2.9b y 2.12a respectivamente). Para simplificar el clculo de corriente de corto
circuito, se debe realizar la reduccin de estos diagramas para obtener el equivalente
Thevenin de cada secuencia (figuras 2.10, 2.11 y 2.12c, tambin respectivamente)
(a) (b)
Figura 2.9 Diagramas de reactancias a) Diagrama de secuencia positiva; b) Diagrama de
secuencia negativa
Simplificando redes a modelo Thevenin
Figura 2.10 Reduccin de diagrama de secuencia positiva a modelo Thevenin
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Figura 2.11 Reduccin de diagrama de secuencia negativa a modelo Thevenin
(a) (b)
Figura 2.12 a) Diagrama de reactancias de secuencia cero; b) Reduccin de diagrama de
secuencia cero a modelo Thevenin.
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Con esta simplificacin de redes se obtiene las impedancias equivalentes de
secuencia (XTH) la cual realizando los clculos correspondientes tomando como nodo
de referencia el punto de falla (en este caso nodo 3), son:
SEC (+) j0.5515
SEC (-) j0.5515
SEC (0) j0.2287
El bus 3 pertenece a la zona 1, en donde:
MVAB = 100
KVB = 110
IB = 524.8638 A
ZB = 121
En este ejemplo se quiere conocer la falla trifsica, que como se menciono
anteriormente se calcula por medio de:
.................(2.19)
Sustituyendo:
Para conocer su valor en Amps.
....................(2.20)
Sustituyendo:
-90 A
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CAPTULO 3. SISTEMAS DE PROTECCIN
3.1 INTRODUCCIN
El Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos (IEEE) define un relevador como
'un dispositivo electrnico que est diseado para responder a las condiciones de
entrada en una manera prescrita y, una vez que se cumplan determinadas
condiciones, este provocara el funcionamiento de contactos o un cambio brusco en el
control de los circuitos elctricos asociados''. Una nota agrega: ''Las entradas suelen
ser elctricas, pero podrn ser mecnicas, trmicas, u otras cantidades o de una
combinacin de cantidades. Interruptores de lmite y similares no son simples
dispositivos de proteccin'' (IEEE C37.90).
Este estudio se centra en una de las ms interesantes y sofisticadas aplicaciones de
relevadores, la proteccin de los sistemas elctricos de potencia. El IEEE define un
relevador de proteccin como un dispositivo, cuya funcin es detectar fallas de lneas
o de aparatos o de otro sistema de potencia en condiciones anormales o de una
peligrosa situacin, debida a la naturaleza y para iniciar las medidas correspondientes
de control del circuito (IEEE 100).
Los fusibles se utilizan tambin en la proteccin. La IEEE define como fusible a un
dispositivo de proteccin en el cual al existir un exceso de corriente a travs del
circuito de apertura de los fusibles este se calienta debido a la sobrecorriente y se
produce una ruptura para interrumpir el flujo (IEEE 100).
Por lo tanto, los relevadores de proteccin y sus equipos asociados, estos se
renombran a menudo simplemente como sistemas de proteccin y son utilizados en
todas las partes del sistema de potencia, junto con los fusibles, para la deteccin de
condiciones intolerables, la mayora de las veces, las fallas.
Un objetivo primordial de todos los sistemas de potencia es el de mantener un nivel
alto de continuidad del servicio, adems de reducir al mnimo la magnitud de falla y el
tiempo de corte de energa cuando se presentan condiciones intolerables. Sin
embargo, las prdidas de potencia, cadas de tensin y sobretensiones se producirn,
porque es imposible evitar las consecuencias de fenmenos naturales, accidentes
fsicos, alteraciones del equipo, o mal funcionamiento debido a un error humano.
Muchos de estos resultados de fallas son: involuntarios, por conexiones accidentales y
arqueo entre cables de fase o entre cables de fase a tierra.
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Los eventos naturales que pueden causar cortocircuitos (fallas) son los rayos (tensin
inducida o corriente de falla), el viento, el hielo, terremotos, incendios, explosiones,
cada de rboles, objetos en vuelo, el contacto fsico por parte de los animales, y la
contaminacin. En los accidentes se incluyen fallas resultantes debido al choque de
vehculos contra postes, contacto desafortunado de personas con el equipo, contacto
con los cables subterrneos al realizar una excavacin, los errores humanos, y as
sucesivamente. Se ha hecho un considerable esfuerzo para minimizar las
posibilidades de daos, pero la eliminacin de todos esos problemas es an difcil de
lograrlo.
La mayora de las fallas en un sistema elctrico con una red de lneas areas son las
de fase a tierra, las cuales se derivan principalmente de los transitorios de alto voltaje
inducidos debido a descargas y de cada de rboles y ramas de rboles. El hielo, la
congelacin debido a la nieve y el viento que se presentan durante las tormentas
pueden causar muchos errores y mucho dao. Estas fallas tienen un porcentaje
aproximado de posibilidad de aparicin de la siguiente forma [1]:
Monofsica (Fase a tierra): 70% -80%
Monofsica (Fase a fase-a tierra): 17% -10%
Monofsica (Fase a fase): 10% -8%
Trifsica: 3% -2%
Una serie de desbalances, tal como la rotura de conductor o un fusible fundido, no son
demasiado comunes, excepto quizs en un sistema de ms baja de tensin, en el cual
se usan los fusibles para proteccin.
La ocurrencia de fallas puede ser muy variable, dependiendo del tipo de sistema de
potencia (por ejemplo, lneas areas o subterrneas) y la naturaleza del lugar o
condiciones climticas
En muchos casos, el arqueo, causado por estos eventos no produce daos
permanentes si el circuito se interrumpe rpidamente. Un mtodo comnmente
empleado es abrir el circuito de falla, permitir que se extinga de manera natural el arco,
y despus cerrar el circuito nuevamente. Generalmente, esto mejora la continuidad en
el servicio y solo causa una cada de tensin y corte de energa momentnea.
Regularmente, el corte de energa solo dura de 0.5 a 1 o 2 minutos, lo cual es
preferible a varios minutos y horas.
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Usualmente, pero no siempre, las fallas en el sistema ofrecen cambios significativos
en magnitudes, las cuales pueden utilizarse para distinguir entre condiciones
tolerables e intolerables del sistema. Estos cambios en las cantidades incluyen
sobrecorrientes, sobre o baja tensin, factor de potencia o ngulo de fase, direccin de
la corriente o potencia, impedancia, frecuencia, temperatura, movimientos fsicos, la
presin, y la cantidad de contaminacin en el aislamiento. El indicador ms comn de
falla es un repentino y significante incremento en la corriente; por consiguiente, la
proteccin de sobrecorriente es ampliamente usada.
La proteccin es la ciencia, la habilidad y el arte de aplicacin y ajuste de relevadores
y fusibles, o ambos, para proporcionar la mxima sensibilidad a las fallas y
condiciones indeseables, pero evitando su operacin ante fallas que sean permisibles
y tolerables.
Es importante reconocer que el margen de tiempo de decisin en la proteccin del
sistema de potencia es muy estrecho, y cuando se producen fallas, una etapa de
verificacin o un procedimiento para tomar una decisin por parte del dispositivo de
proteccin que necesite tiempo adicional, es una situacin indeseable. Es de vital
importancia (1) una decisin correcta por parte del dispositivo de proteccin para
determinar si el problema es intolerable y, por tanto, realizar una rpida accin, o si es
tolerable de tal manera que el sistema lo pueda soportar, y (2) si es necesario, que el
dispositivo de proteccin opere para aislar el rea en problemas rpidamente y con
una mnima distorsin del sistema. Este problema debido al tiempo, podra ser, sino es
que ya lo es, asociado a un alto ruido extrao, el cual no debe engaar al
dispositivo o provocar un funcionamiento incorrecto.
Tanto la falta de funcionamiento y un funcionamiento incorrecto puede producir
grandes distorsiones en un sistema que impliquen una mayor dao al equipo, riesgo
al personal de mantenimiento, y la posible interrupcin prolongada de continuidad del
servicio. Una de las ventajas de los relevadores modernos, (microprocesadores) es
que pueden monitorear y controlar por ellos mismos una falla para minimizar los daos
en los equipos, as como proporcionar informacin sobre los acontecimientos que
resultaron debido a su funcionamiento.
Para minimizar las posibles fallas que pueden ocasionar problemas en el sistema de
potencia debido a la mala operacin de la proteccin, la prctica consiste en utilizar
varios relevadores o sistemas de proteccin que funcionen en paralelo. Estos pueden
ubicarse en el mismo lugar (respaldo primario), en la misma subestacin (respaldo
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local), o en diferentes subestaciones remotas (respaldo remoto).Los tres se usan en
muchas aplicaciones. En sistemas de potencia de alta tensin este concepto se ampla
con la adaptacin por separado o a la vez de dispositivos de medicin de corriente o
tensin, bobinas individuales en los interruptores y fuentes de alimentacin para
disparo tambin de manera individual.
Los diferentes dispositivos de proteccin deben estar adecuadamente coordinados de
tal manera que los relevadores primarios asignados para operar a la primera seal de
falla en su respectiva zona de proteccin, operen en primer lugar. En caso de que
estos fallen, los diferentes sistemas de respaldo deben estar disponibles y ser capaces
de operar para controlar la falla. Es muy importante contar con un sistema de
proteccin altamente redundante y disponible para el respaldo. La redundancia
excesiva, sin embargo, tiene un impacto negativo en la seguridad. A medida que se
aaden mas sistemas buscando mejorar la confiabilidad, se tendr una mayor
probabilidad de operaciones incorrectas. Se debe contar con un buen criterio para la
aplicacin de sistemas de relevadores con el fin de optimizar el equilibrio entre la
confiabilidad y la seguridad. El equilibrio ptimo variar, en funcin de las
caractersticas y objetivos de cada aplicacin especifica.
3.2 PRINCIPALES ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIN 3.2.1 Transformadores de instrumento. Se denominan transformadores de instrumento o de medicin, o los que se emplean
para alimentar los dispositivos de proteccin, especficamente los relevadores, el uso
de estos transformadores se hace necesario en las redes de alta tensin en donde se
requiere reducir los valores de tensin y corriente de modo que puedan ser admisibles
en los dispositivos de proteccin, por razones de seguridad y comodidad.
Los objetivos fundamentales que tienen los transformadores de instrumento son:
Aislar los dispositivos de proteccin del devanado primario o secundario,
permitiendo as medir las altas tensiones y corrientes utilizando instrumentos
de bajo alcance.
Proporcionar mayor seguridad al personal, ya que lo protege contra los valores
altos de tensin.
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Permitir la normalizacin de las caractersticas de operacin de los
instrumentos.
Existen dos tipos de transformadores de instrumento, los transformadores de potencial
(TPs) y los transformadores de corriente (TCs).
Una diferencia importante entre estos dos elementos, es que un transformador de
corriente est relacionado de manera ms directa al cortocircuito (por lo que si al
interrumpir de manera accidental el circuito secundario, el valor de la tensin se
elevara demasiado, siendo esto peligroso); por otra parte, el transformador de
potencial funciona prcticamente en vacio (en este caso, un cortocircuito en el lado
secundario resultara en un valor de corriente demasiado elevado, de igual manera
muy peligroso). A continuacin se da una definicin ms clara de estos elementos.
3.2.1.1 Transformadores de corriente (TCs)
Un transformador de corriente es aquel en el cual el devanado primario se encuentra
en serie con el circuito al cual se quiere medir el valor de corriente: sobre el devanado
secundario se conectan en serie los instrumentos de medicin (amprmetro), los
cuales deben tener un valor bajo de impedancia para mantener al transformador en
condiciones cercanas al cortocircuito.
Para que el transformador indique exactamente el valor de corriente que circula en el
circuito primario, la relacin de corriente (CT ratio, por sus siglas en ingles) entre el
primario y el secundario, se debe de mantener casi constante al variar la carga, con el
fin de reducir al mnimo la corriente magnetizante.
................(3.1)
Donde: Ip = Corriente en el devanado primario
Is = Corriente en el devanado secundario
Con el fin de facilitar los clculos para determinar la corriente que circula en el circuito
primario (para estimar en el ajuste de operacin del relevador), se ha normalizado la
corriente nominal secundaria en un valor de 5 A [5].
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Los valores de corriente nominal deben ser un dato proporcionado en la placa del
transformador, o en caso de usar un software se debe mostrar en los parmetros pre-
establecidos, y se expresa de la siguiente forma: 500/5 A, 200/5 A, 100/5 A, etc. El
primer valor corresponde a la corriente en el primario, y la segunda al valor del
secundario. En la figura 3.1 se muestran algunos smbolos bsicos para representar a
los TCs.
FIGURA 3.1 Representacin de transformadores de corriente [5]
Algunos valores normalizados de relaciones de transformacin se muestran en la
siguiente tabla [5]:
Tabla 3.1
Relacin de transformacin
normalizadas
5/5 300/5 10/5 400/5 15/5 500/5 20/5 600/5 25/5 800/5 30/5 1000/5 40/5 1200/5 50/5 1500/5 75/5 1600/5 100/5 2000/5 150/5 2500/5 200/5 3000/5 250/5
A
I
A
Is
A
Ip
Is
Sp
-
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3.2.1.2 Transformadores de potencial (TPs) El transformador de potencial es un transformador de tensin donde el circuito primario
se conecta en derivacin (paralelo) con el circuito, para el cual se desea conocer la
tensin. En el circuito secundario se conectan los instrumentos de medicin
(vltmetro).
Debido a que estos transformadores deben detectar exactamente el valor de la tensin
presente en el primario, es necesario que la relacin entre las tensiones primaria y
secundaria se mantenga constante, esto es, que debe limitarse tanto como sea posible
la cada de tensin en los dos devanados. En tales condiciones, se cumple la relacin
de transformacin (PT ratio, por sus siglas en ingles):
.......................(3.2)
Donde: PT ratio = Relacin de transformacin del transformador de potencial Vp = Tensin primaria Vs = Tensin secundaria
Los TPs tienen devanados primarios que pueden ser conectados directamente al
sistema de potencia (TPs) o bien a travs de la seccin de un banco de capacitores
conectado entre fase y tierra (TPCCs, Transformador de Potencial con Conjunto de
Capacitores). Esto se muestra esquemticamente en la figura 3.2.
Los TPs se usan con todos los valores de tensin existentes en el sistema de potencia
y comnmente se conectan al bus. En un valor aproximadamente de 115 Kv, los
TPCCs son ms convenientes de utilizar ya que generalmente son ms econmicos
que los TPs para altos niveles de tensin. Usualmente, los TPCCs se conectan a la
lnea, en lugar del bus, ya que el conjunto de capacitores puede ser usado como un
conjunto de radio frecuencias en la lnea para el uso de proteccin piloto.
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FIGURA 3.2 Fuentes tpicas de tensin para relevadores. (a) tensin secundaria de fase a tierra con tres TPs de doble devanado secundario conectados de fase a tierra; (b) tensin de fase secundaria con dos TPs de devanado secundario simple conectados en delta abierta; (c) tensin secundaria fase a tierra con tres TPCCs conectados de fase a tierra. [Solamente se muestra una fase, las fases b y c se duplican con los secundarios conectados tal como se ven en (a).] [1]
El transformador de potencial ofrece una excelente funcin de transformacin de
tensin primaria, transitorios y estado estacionario, para funciones de proteccin. La
saturacin no es un problema debido a que los sistemas de potencia no deberan
operar por encima de la tensin nominal o fallas que resulten de un colapso o
reduccin de tensin. Ambos tipos (TPs y TPCCs) tienen amplia capacidad y son
dispositivos altamente confiables.
3.2.2 Interruptores
El interruptor es un dispositivo de desconexin el cual, de acuerdo con las normas,
est definido como un dispositivo capaz de conectar, conducir e interrumpir corrientes
bajo condiciones normales y tambin conectar y conducir corrientes por tiempo
determinado e interrumpirlas bajo condiciones anormales, tales como corrientes de
corto circuito.
3.2.3 Relevadores
Este es un dispositivo el cual puede ser activado o puede iniciar su operacin al recibir
una seal de entrada, ya sea de tensin, corriente o ambas. Cuando opera, asla las
condiciones anormales que se presentan en el sistema elctrico. Este elemento consta
bsicamente de dos partes principales: la bobina que recibe la seal y los contactos,
los cuales se activan al energizarse la bobina. En el captulo 4 de este trabajo se da
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una explicacin ms a fondo de este dispositivo, el cual es la parte fundamental de
este estudio.
3.2.4 Banco de bateras
Las bateras son el equipo que, en un sistema de proteccin, tienen la funcin de
proporcionar alimentacin al circuito de disparo, enviando a travs de los contactos de
los relevadores la seal de disparo a la bobina de los interruptores. La alimentacin al
circuito de disparo se prefiere de corriente directa en vez de corriente alterna debido a
que esta alimentacin puede no ser de la adecuada magnitud durante un cortocircuito;
por ejemplo, cuando ocurre una falla trifsica puede resultar una tensin de corriente
alterna igual a cero para la alimentacin de los servicios, por lo que en estas
circunstancias la potencia requerida para el disparo no puede ser obtenida del sistema
de corriente alterna, con lo cual fallara el disparo.
La batera est conectada permanentemente a travs de un cargador-rectificador al
servicio de estacin de corriente alterna. El cargador tiene capacidad suficiente de
potencia aparente (VA) para proporcionar toda la carga en estado estable suministrada
por la batera [7].
3.3 CARACTERSTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIN
El objetivo bsico de un sistema de proteccin es aislar rpidamente la zona de falla
en el sistema de potencia, as el dao para el resto del sistema ser mnimo y tanto
como sea posible saldr intacto. Junto con este contexto, existen cinco caractersticas
de aplicacin de los relevadores de proteccin.
Antes de discutir estas, se debe saber que el uso de la proteccin no indica o implica
que el equipo de proteccin puede prevenir problemas, tal como fallas y equipo
daado, o choques elctricos debido a contactos inadvertidos de personas. Esto no
puede anticipar problemas. Los relevadores de proteccin actan solamente despus
de que una condicin anormal o intolerable ha ocurrido, con suficiente magnitud para
permitir su operacin. De este modo la proteccin no significa prevencin,
Sino ms bien, minimizar la duracin del problema y limitar el dao, tiempo de
desenergizacin, y problemas mencionados que podran resultar por otra parte.
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Las cinco caractersticas bsicas son: 1. Confiabilidad: garanta de que la proteccin se ejecutara correctamente. 2. Selectividad: mxima continuidad del servicio con mnima desconexin del
sistema.
3. Velocidad de operacin: mnima duracin de falla y por consecuencia menos
equipo daado y sistema inestable.
4. Simplicidad: mnimo equipo de proteccin y circuitera asociada para cumplir
los objetivos de proteccin.
5. Econmico: mxima proteccin con un costo total mnimo.
Ya que estos son aspectos fundamentales de toda proteccin, se definen con ms
detalle.
3.3.1 Confiabilidad
La confiabilidad tiene dos aspectos, confianza y seguridad. La confianza se define
como el grado de certeza de que un relevador o sistema de proteccin operen
correctamente (IEEE C37.2). La seguridad se refiere al grado de certeza de que un
relevador o sistema de proteccin no opere incorrectamente (IEEE C37.2). En otras
palabras, la confianza indica la habilidad del sistema de proteccin para actuar
correctamente cuando se requiere, mientras que la seguridad es su habilidad para
evitar la operacin innecesaria durante el transcurso normal de operacin, y fallas o
problemas fuera del alcance de operacin que le fue designado. Existe regularmente
una mnima cantidad de transitorios tolerables que el sistema de potencia puede
operar exitosamente, y aquellos, tales como fallas por arqueo, que podran desarrollar
y provocar un mayor problema si no se asla rpidamente. Por esto, la proteccin debe
ser segura (no operar cuando se presenten transitorios tolerables), pero confiable
(operar con transitorios intolerables y fallas permanentes). Son estos requerimientos
complejos, junto con la especulacin del problema que se pueda presentar, cuando, y
donde, lo que hace que la proteccin del sistema de potencia sea la ms interesante
ciencia tcnica, combinada con arte.
La confianza es fcil de determinar por medio de una prueba al sistema de proteccin
para garantizar que operar tal como se espera cuando los lmites de operacin son
excedidos. La seguridad es ms difcil de efectuarse. Aqu puede haber casi una
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variedad infinita de transitorios que podran alterar el sistema de proteccin, y la
predeterminacin de todas estas posibilidades es difcil o imposible de llevar a cabo
cada una de ellas.
Los fabricantes regularmente usan simulaciones del sistema de potencia, y algunas
veces pruebas de fallas reales en sistemas de potencia para verificar tanto confianza
como seguridad. La mejor respuesta prctica para la seguridad y confianza son los
conocimientos de los diseadores, basado en el campo de la experiencia. Por esto, las
instalaciones actuales en servicio cuentan con el mejor y ms sofisticado laboratorio.
Esto debera solamente asegurar la confiabilidad, y no ser bsicamente usado para el
desarrollo.
Como una generalidad, el mejoramiento de la seguridad tiende a disminuir la
confianza, y viceversa. Por ejemplo, el contacto mvil de un simple relevador, puede
representar una alta confianza, pero tiene la posibilidad de ser accidentalmente
cerrado por un transitorio no previsto o un error humano resultando en una operacin
indeseable. Para minimizar este posible problema, un segundo relevador, tal como un
detector de falla, puede ser usado con su contacto de operacin en serie dentro del
circuito de corriente de CD.
Por lo tanto, ambos contactos deben cerrar para el disparo del interruptor, el cual
deber activarse por condiciones intolerables o fallas. Esto ha incrementado la
seguridad, ya que es menos probable que transitorios extraos o problemas
provoquen la operacin de ambos relevadores simultneamente. Sin embargo, la
confianza ha sido disminuida, por esto ahora se requiere que los dos relevadores
operen correctamente. Este arreglo es usado, porque la confianza an es alta, a la vez
que la seguridad es mejorada.
La seguridad es muy importante (como lo es la fiabilidad), cuando los relevadores
estn conectados para toda su vida en el sistema de potencia como centinelas
silenciosos, a la espera de condiciones intolerables y experimentar todos los
transitorios y fallas externas que no estn en su zona de operacin. Por lo tanto, se
espera que no haya fallas o condiciones intolerables, esto es, no habr razn para que
los relevadores operen. Afortunadamente, existen relativamente unas cuantas fallas,
en promedio, en un sistema de potencia. Se estima que, en general, el tiempo de
operacin acumulativo (los instantes en que el relevador detecta y opera por una falla
interna) durante la vida de operacin, en promedio de un relevador es desde segundos
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a unos cuantos minutos, dependiendo de la velocidad del tipo de relevador en
particular. Esto contrasta dramticamente con una vida de aproximadamente unos 30
aos para algunos relevadores. Por lo tanto, los relevadores bsicamente no se
desgastan en si por las operaciones que llevan a cabo, sino ms bien, se desgastan
por las pruebas de mantenimiento y usos similares.
En general, las experiencias en los sistemas de potencia, grandes y pequeos e
industriales, indican que sus sistemas de proteccin tienen ms que un 99% de
confianza, lo que es de gran ayuda a la industria.
3.3.2 Selectividad. Los relevadores tienen un rea asignada conocida como zona de proteccin primaria,
pero podran correctamente operar respondiendo a condiciones fuera de esta zona,
esta es designada como zona de respaldo o de traslape.
La selectividad (tambin conocida como coordinacin de relevadores) es el proceso de
aplicacin y colocacin de relevadores de proteccin para que respalden a otros
relevadores, de tal manera que operan tan pronto como sea posible dentro de su zona
primaria, solo al tener retraso de operacin en su zona de respaldo. Esto es necesario
para permitir que los elementos primarios asignados a esta rea de respaldo o
traslape tengan tiempo para operar. Por otra parte, ambos grupos de relevadores
podran operar por fallas en esta rea de traslape; los relevadores primarios asignados
para el rea y los de respaldo. La operacin de la proteccin de respaldo es incorrecta
e indeseable a menos que la proteccin primaria de esa rea falle, al aislar la falla.
Consecuentemente, la selectividad o coordinacin del relevador es importante para
garantizar una mxima continuidad de servicio con una mnima desconexin del
sistema.
3.3.3 Velocidad Obviamente, se desea que la proteccin asle una zona con falla tan rpido como sea
posible. En algunas aplicaciones esto no tiene dificultad, pero en otras, particularmente
donde la selectividad est envuelta, una operacin ms rpida puede generar una
operacin ms compleja y un mayor costo de proteccin. El tiempo-cero o gran
velocidad de proteccin, a pesar de ser lo esperado, podra derivar una gran cantidad
de operaciones indeseables. Como conclusin, entre ms rpida sea la operacin,
ms alta es la probabilidad de una operacin incorrecta.
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El tiempo, generalmente de un valor muy pequeo, sigue siendo uno de los mejores
indicadores de distincin entre transitorios tolerables e intolerables.
Un relevador de alta velocidad es el que opera en menos de 24 ms (1 ciclos en una
base de 60 Hz) (IEEE 100). El trmino instantneo quiere decir que no hay retraso (de
tiempo) y esto es introducido a propsito en el accionar del dispositivo (IEEE 100). En
la prctica, los trminos instantneo y alta-velocidad son usados aleatoriamente para
describir los relevadores de proteccin que operan en 24 ms o menos [1].
Los interruptores modernos de alta-velocidad operan en el rango de 17-50 ms (uno a
tres ciclos en 60 Hz); otros operan en menos de 83 ms (cinco ciclos en 60 Hz). De esta
manera, el tiempo total entre ambos (relevadores con interruptores) se encuentra en
promedio aproximadamente en 35-130 ms (dos a ocho ciclos en 60 Hz) [1].
En sistemas de baja tensin, en los cuales la coordinacin del tiempo es requerida
entre relevadores de proteccin, los tiempos de operacin del relevador generalmente
sern ms lentos; tpicamente en el orden de 0.2-1.5s para la zona primaria. Los
tiempos en la zona primaria del relevador ms all de 1.5-2.0s son inusuales para las
fallas en esta zona, pero son posibles y existen. Por esto, la velocidad es importante,
pero no siempre es absolutamente requerida, ni tampoco es siempre prctica para
obtener una alta-velocidad sin tener en cuenta costo y complejidad, lo cual podra no
ser justificado.
La velocidad del relevador es especialmente importante cuando la instalacin
protegida se encuentra dentro de una zona sensible de estabilidad del sistema de
potencia. Un aislamiento ms rpido de la falla reduce la capacidad de que los
generadores puedan acelerarse durante este problema, y adems, mejora los
mrgenes de estabilidad. Los diseos de relevadores microprocesadores modernos,
sin embargo, incluyen procesadores y algoritmos que proporcionan altas velocidades
de operacin.
3.3.4 Simplicidad Un sistema de proteccin debe ser lo ms simple y sencillo como sea posible a la vez
que cumpla sus objetivos. Cada unidad o componente agregado, los cuales podran
ofrecer mejoramiento de la proteccin, pero no necesariamente bsico para los
requerimientos de proteccin, deber ser considerado muy cuidadosamente. Cada
adicin proporciona una fuente potencial de problemas y adems de mantenimiento.
Como se ha mencionado, una operacin incorrecta o indisponibilidad de la proteccin
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puede provocar problemas catastrficos en el sistema de potencia. Los problemas en
el sistema de proteccin pueden afectar gravemente a la red en general,
probablemente ms que cualquier otro componente del sistema electrico.
3.3.5 Economa Es fundamental obtener la mxima proteccin por un mnimo costo, y el costo es
siempre el principal factor. El precio ms bajo del costo-inicial del sistema de
proteccin podra no ser el ms confiable; adems, podra involucrar mayores
dificultades en instalacin y operacin, as como costos de mantenimiento ms altos.
Los costos de proteccin deben ser evaluados claramente en los costos ms altos del
equipo que estn protegiendo, y el costo de un dao o prdida de equipo protegido a
travs de proteccin impropia. Ahorrar para reducir los costos inciales puede resultar
en un gasto mayor en muchas ocasiones, ya que este ahorro se tendr que utilizar
para reparar equipo daado o perdido a causa de una proteccin inadecuada.
3.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL SISTEMA DE PROTECCIN Existen cuatro principales factores que influyen en la proteccin por relevadores:
1. Econmicos.
2. Personalidad del ingeniero de sistemas de relevadores y las caractersticas
del sistema de potencia.
3. Ubicacin y disponibilidad de dispositivos de desconexin y aislamiento
[interruptores y dispositivos de entrada o medicin (TCs y TPs)].
4. Disponibilidad de indicadores de falla (estudios de problemas a causa de estos)
3.4.1 Econmicos
Los factores econmicos han sido explicados anteriormente debido a su importancia.
Afortunadamente, las fallas y problemas son relativamente poco frecuentes, por esto
es fcil decidir no gastar dinero en proteccin porque no ha habido ningn problema.
Ciertamente, en la ingeniera de proteccin se espera que nunca sea necesaria la
operacin de la proteccin, pero cuando los problemas se presentan, la proteccin es
vital para la vida del sistema. Una simple falla durante la cual la proteccin asle
rpidamente y correctamente la zona del problema, tendr una disminucin en el
tiempo de corte y reduccin de dao al equipo, lo cual es una poderosa razn para
pagar por la proteccin requerida.
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3.4.2 Factor de personalidad
Que, cuando, y donde ocurrir una condicin intolerable en el sistema es impredecible.
El nmero de posibilidades de que exista es infinito. Consecuentemente, el ingeniero
debe disear el sistema de proteccin para la mayora de estos probables eventos,
basndose en experiencias pasadas, prever posibilidades que parezcan ocurran con
mayor frecuencia, y las recomendaciones de fabricantes del equipo bien sustentadas
en un buen anlisis prctico. Esto es lo que hace de la proteccin un arte, as como
una ciencia tcnica. Debido a las personalidades de los ingenieros de proteccin, as
como las del sistema de potencia que se refleja en la administracin, las
consideraciones de operacin, y el desarrollo histrico, son diferentes, y de este modo
es la proteccin adecuada lo que resulta. Aunque existe mucha tecnologa en comn,
los sistemas y prcticas de proteccin estn lejos de estandarizarse. Por consiguiente,
la proteccin refleja la personalidad de los ingenieros y el sistema, haciendo de nueva
cuenta ms interesante el arte y la prctica del sistema de proteccin.
3.4.3 Ubicacin de dispositivos de entrada (relevadores) y desconexin (interruptores)
La proteccin puede ser aplicada solamente donde existan interruptores o dispositivos
similares para llevar a cabo el aislamiento de la zona en problemas y donde los TCs y
TPs, cuando sean requeridos, sean capaces de proporcionar informacin acerca de
las fallas y problemas en el sistema de potencia. Una estrecha cooperacin entre
planificadores del sistema e ingenieros de proteccin es importante para facilitar la
ptima ejecucin y operacin del sistema de proteccin.
3.4.4 Disponibilidad de indicadores de falla
Los problemas, fallas, y condiciones intolerables deben mostrar una notable diferencia
de la operacin normal o condiciones tolerables. Algunas seales o cambi