Apuntes de Protecciones Electricas Moderna

8/17/2019 Apuntes de Protecciones Electricas Moderna

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UNIVERSIDAD POLITECNICA DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA

TEMA: CONCEPTOS DE PROTECCIONES ELECTRICASTELE PROTECCIONES

INDICE

Introducción……………………………………………………… ..……..3

Sistemas de tele protección…………………………………….………4

Protección de los sistemas de potencia……………………..….……13

Trasformadores de corriente y tensión…………………….…..…….24

Protección de barras………………………………………….………..27

Conclusiones……………………………………………… ……..……42


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INTRODUCCION

El presente reporte es un resumen de los manuales de sistemas de

teleproteccion, protección diferencial de barras, clases de generación y

transporte de energía, se presentan para cada tema su teoría básica

acompañada de gráficas y cuadros para ilustrar mejor los temas, se registran

las características de los sistemas de protección, la confiabilidad de los

sistemas, la velocidad de actuación de la protección, la disponibilidad y el tipo

de respaldo, se muestran las configuraciones posibles, en la parte de los

sistemas de potencia se muestran las causas y tipos de fallas, se listan los

códigos Ansi aplicados a protecciones de sistemas de potencia, se detallan las

configuraciones básicas y por último se agregan las conclusiones del estudio

de cada tema que se presentan al final del reporte.

SISTEMAS DE TELEPROTECCION

Un sistema de teleproteccion se puede representar como se muestra a

continuación:


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Donde:

R1, R2, R3, R4, R5: relés de protecciónB1, B2, B3, B4, B5: interruptores

F: falla en la línea

Como ilustración de éste concepto, en condiciones normales de operación, la

falla F debe ser despejada por los relés R1 y R2 por intermedio de los

interruptores B1 y B2. Si R2 no opera para esta falla, el relé pierde

confiabilidad. Pero si el relé R5 opera haciendo abrir el interruptor B5 para la

misma falla antes de que el interruptor B2 la aclare, entonces R5 perdió

confiabilidad por una pérdida de seguridad.

CARACTERISTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIONUn Sistema de Teleprotección altamente selectivo requiere cumplir con las

siguientes características para poder alcanzar su objetivo:

CONFIABILIDAD Y SEGURIDAD

Estas características se refieren a la facultad del sistema de cumplir la

función comisionada sin errores en el tiempo establecido.

Para que un sistema de teleprotección sea confiable y seguro, los equipos

de teleprotección deben ser diseñados de tal modo que no operen

incorrectamente habiendo o no falla o condición anormal en la red de alto

voltaje. En tal sentido se debe asegurar que los comandos transmitidos


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sean los mismos que se reciben en el otro extremo de la línea de alta

tensión. Por ejemplo, de existir ruido en el sistema de comunicaciones, el

procesamiento de los comandos de teleprotección debe ser tal que no

permita que el ruido se interprete como señales que puedan ocasionar la

recepción de un comando producido por ruido y no por falla detectada por

los relés de protección de la línea.

Asimismo, del lado de los equipos de protecciones, para conseguir

confiabilidad y seguridad se debería asegurar que:

- No existan errores de medición ocasionados por los

transformadores de corriente y tensión de medida.

- No existan pérdidas en el canal de comunicaciones

SELECTIVIDAD

Es la habilidad de localizar la falla y aislar únicamente la parte afectada, de

modo que protege la porción del sistema que sale de servicio. Cuando

ocurre una falla, se debe despejar por los relés asociados a esta anomalía,

evitando la salida de partes del sistema que no tengan relación con esta

falla.

VELOCIDAD

Consiste en la facultad de accionar los equipos necesarios para aislar la

parte afectada en la línea en el menor tiempo posible si se produjese una

falla. Para esto, el tiempo de transmisión de un comando de teleproteccióndesde que el comando es recibido por el equipo de teleprotección, es

procesado, transmitido, recibido por el equipo de teleprotección en el otro

extremo de la línea y enviado al relé de protección final debe ser de 2 a 65

ms según norma IEC 60834 (ver la siguiente figura).


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DISPONIBILIDAD

Es la propiedad de tener disponible el medio de comunicaciones durante el

tiempo convenido para que los equipos de protección del sistema de

teleprotección puedan comunicarse de ocurrir una falla en el sistema. En tal

sentido, debe contarse con un sistema que tenga una disponibilidad cercana

al 100%.

RESPALDO

Esta propiedad consiste en tener un sistema de respaldo en los siguientes

niveles:


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- Equipos de protección: Los equipos de protección de respaldo

deben instalarse con la finalidad de aislar la parte en falla de la

red de alta tensión en el caso de que los equipos de protección

principales fallaran en el intento.

- Canal de comunicaciones: Por más que existiese respaldo a

nivel de equipos de protecciones, si el medio de comunicaciones

fallase, no habría comunicación para los equipos de protección

principal y de respaldo. En tal sentido se tendría un sistema de

teleprotección no confiable. Por tanto, se requiere un medio de

comunicaciones de respaldo que permita la comunicación de losequipos de protección en caso fallase el canal de comunicaciones

principal.

- Equipos de Teleprotección: Este nivel de respaldo consiste en

contar con dos (2) equipos de teleprotección por línea (dos a cada

extremo de la línea), uno que transmita por el canal de

comunicaciones principal y el otro por el canal de respaldo.

- Fuente de alimentación: Tanto los equipos de teleprotección y

protecciones principales y de respaldo deben contar con fuentes

de alimentación independientes. En la práctica, cada subestación

cuenta con un tablero de servicios auxiliares que proporciona

alimentación a todos los equipos de comunicaciones, por tanto,

bastaría con independizar los interruptores termomagnéticos que

posibilitan la alimentación a cada equipo (principal y respaldo) de

teleprotección y de protecciones.

CONFIGURACIONES POSIBLES

Existen diferentes tipos de configuraciones posibles para el Sistema de

Teleprotección a nivel de comunicaciones. La elección de un tipo de


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configuración en especial depende de la filosofía de teleprotección de cada

empresa en particular.

MEDIO DE TRANSMISIÓN ANÁLOGICO SIN RESPALDO

COMUNICACIÓN VIA CABLE COBRE 4 HILOS

COMUNICACIÓN VIA CABLE COBRE 2 HILOS


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COMUNICACIÓN VÍA EQUIPO DE ONDA PORTADORA

La comunicación entre el equipo de teleprotección y el equipo de

onda portadora es con cable de cobre a 4 hilos. (Ver la siguiente

figura).

La comunicación entre el equipo de teleprotección y el equipo de

onda portadora es con fibra óptica


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COMUNICACIÓN VIA EQUIPO DE ONDA PORTADORA

CON EQUIPO DE TELEPROTECCIÓN INTEGRADO

En esta configuración se utiliza un equipo de teleprotección integrado

en el equipo de onda portadora. En este caso no conviene tener los

equipos de Onda Portadora y Teleprotección con fuentes

independientes, ya que si ocurriese una falla en la alimentación del

equipo de Onda Portadora se perderá la conexión del enlace de los

equipos de teleprotección integrados independientemente de si el

equipo de teleprotección estuviese sin problemas de alimentación.

(Ver la siguiente figura).

MEDIO DE TRANSMISIÓN DIGITAL SIN RESPALDO

Una red digital de comunicaciones permite una mayor velocidad en la

transmisión

COMUNICACIONES VIA RED DIGITAL PDH O SDH

La configuración de un Sistema de Teleprotección que utiliza como

medio de comunicación una red digital PDH o SDH, pudiendo

transmitir a 64kbps vía protocolo X.21 o G703.1, así como también a

2Mbps vía protocolo G703.6


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Asimismo la comunicación entre el equipo de teleprotección y el

multiplexor PDH/SDH puede ser con cable de cobre o con cable de

fibra óptica (ver figura), dependiendo de la distancia de esta conexión

Enlace vía Red Digital PDH / SDH. Conexión entre equipo de

teleprotección y multiplexor que da acceso a la red PDH/SDH es con

cable de fibra óptica.

COMUNICACIONES VIA FIBRA ÓPTICA

Las comunicaciones vía fibra óptica para un Sistema de Teleprotección

permiten velocidades de transmisión de 64kbps y 2Mbps.


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MEDIO DE COMUNICACIONES CON RESPALDO

En las figuras que a continuación se muestran se observan las diferentes

configuraciones de un Sistema de Teleprotección con respaldo utilizandomedios diferentes de comunicación para el canal principal y el de

respaldo.


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PROTECCION DE LOS SISTEMAS DE POTENCIA

Todos los sistemas de potencia experimentan fallas

LA PROTECCION ES INSTALADA PARA: Detectar la ocurrencia de una falla y aislar el equipo fallado

Por lo que:

•Se limita el daño al equipo fallado •La interrupción de cargas adyacentes es minimizada, los daños en los

equipos no fallados es minimizado

PROTECCION = SEGURO CONTRA DAÑOS DE FUTURAS FALLAS

Riesgos

Daños en los equipos tales como:

Excesivo flujo de corriente (rotura de conductores, etc)


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Daños en bobinados Arcos que deterioran el aislamientoRiesgo de explosión

Daños a los equipos adyacentes

Perdida de carga (Cargas Mineras)Deterioro de equipos

Daños a las personas

Corrientes de Toque y PasoHumos tóxicos generados por quemadura de aislantesContacto eléctrico directo

Quemaduras, etc

Daños al sistema

Perdidas de sincronismo BlackOuts (Apagones)

EN RESUMEN

LA PROTECCION DEBE

-Detectar fallas y condiciones de operación anormales -Aislar el equipo fallado

Además

-Limitar el daño causado por la energía de la falla -Limitar el efecto enel resto del sistema.

CAUSAS Y TIPOS DE FALLAS

Descargas atmosféricas Vientos Hielo y nieve Objetos voladores Contaminación de aisladores Animales (Aves, ratas, etc)

Error Humano Árboles


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Edad de aislamiento Los dueños de lo ajeno

CAUSAS Y TIPOS DE FALLAS


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FACTORES QUE INFLUENCIAN EL DISEÑO DE LOS SISTEMASDE PROTECCION

EL TIPO DE FALLA, O TIPO DE CONDICION ANORMAL

• LAS CANTIDADES MEDIBLES (tensión, corriente, frec, etc)• EL TIPO DE PROTECCIÓN DISPONIBLE

• VELOCIDAD• LA DISCRIMINACION DE LA UBICACIÓN DE FALLA• LA DEPENDABILIDAD (DEPENDABILITY)• LA SEGURIDAD• TRASLAPO• LA DISCRIMINACION DE FASES Y SELECTIVIDAD• TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y TENSION• LOS SERVICIOS AUXILIARES• LA PROTECCION DE RESPALDO (REMOTO Ó LOCAL)• COSTO• DUPLICACION DE EQUIPOS DE PROTECCION


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TECNOLOGIA DE LOS RELES DE PROTECCION

ASPECTOS DEL SISTEMA DE PROTECCION

CONFIABILIDAD

VELOCIDAD

SELECTIVIDAD

SIMPLICIDAD


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ZONAS DE PROTECCION

¿DONDE ES LA FALLA?


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¿EN QUE FASE?

La protección debe detectar la fase falladacorrectamente:

Importante para aplicaciones de disparo Monofásico y recierre monofásico


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En el sistema se tiene relés direccionales Rx

Los interruptores están marcados como Bx Ocurre una falla F

Como resultado operan los relés R1, R2 y R4

¿Qué perdió el relé R4? Seguridad? Ó Dependabilidad?

El reléR4 perdió “seguridad”, actuó cuando no debía


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COSTO DE UN SISTEMA DE PROTECCION

QUE COSTOS SE DEBEN TOMAR EN CUENTA

- relés, paneles, cableado

- Estudios de coordinación

- Pruebas y puesta en servicio

- TCs y TTs

- Costos de Mantenimiento y reparación

- Costos de reparación ( si falla durante su

funcionamiento)

SISTEMAS DE DISTRIBUCION

- Gran número de puntos de distribución, transformadores alimentadores- Economía > Aspectos técnicos

- Protecciones mínimas

- Menos veloces que en sistemas de transmisión

- Protección de respaldo simple

- Aunque es importante, las consecuencias de una mala

operación o falla de operación es menos seria que en un

sistema de transmisión

SISTEMAS DE TRANSMISION Y GENERACION - Consideraciones técnicas > Económicas

- La economía no puede ser ignorada es de importancia

secundaria

- Altos costos de la protección se justifica por altos costos

de equipamiento


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- Se deben considerar la calidad de suministro

- Se deben usar respaldo para mayor confiabilidad

- Se debe usar disparos monofásicos y recierres para

mantener la estabilidad del sistema

TIPOS DE PROTECCION

FUSIBLES Usados en redes de bajo voltaje, alimentadores y transformadores

de distribución, TTs, servicios auxiliares.

EQUIPOS DE ACTUACION DIRECTA Reclosers, etc.

SOBRECORRIENTE DE FASES Y TIERRA Usado en todos los sistemas de potencia

Pueden ser direccionales ó no direccionales

Puede depender de la tensión

TIPOS DE PROTECCION DIFERENCIAL

Líneas de transmisión, barras, transformadores de potencia,generadores, etc.

- Alta impedancia

- Baja impedancia

- Por hilo piloto

- Digitales, etc DISTANCIA

Líneas de Transmisión y subtransmisión, alimentadoresComo respaldo de transformadores y generadores

COMPARACION DE FASE Y COMPARACION

DIRECCIONAL Líneas de transmisión

TIPOS DE PROTECCION OTROS

Mínima frecuencia,Sobrefrecuencia


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Mínima tensión

Sobretensión

Sobrecarga

Relé de recierre

Control de tomas bajo carga

Relés de disparo (86) y relés auxiliares

CLASES DE PROTECCION PROTECCIONES SISTEMICAS

- Esquemas de rechazo de Carga

- Esquemas de rechazo de generación

- Fasores sincronizados

CLASES DE PROTECCION PROTECCIONES SISTEMICAS - AGR (Esquema de rechazo de generación

CLASES DE PROTECCION

FASORES SINCRONIZADOS


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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y TENSION

- Son parte esencial del esquema de protección, reducen las

corrientes y voltios primarios a niveles bajos adecuados para los

relés de protección.

- Estos deben ser especificados para mantener los requerimiento

de los equipos de protección

- La correcta conexión de los TCs y TTs es importante para losrelés de protección (direccional, distancia, comparación,

diferencial)

- Los transformadores de tensión pueden ser capacitivos ó

inductivos

- En Alta tensión se necesita TTs en las barras (sincronismo, etc)

- Nunca abrir un circuito secundario de un TC, por lo que nunca

se deben usar fusibles en los circuitos de corriente

- Los secundarios de los transformadores de tensión deben

protegerse con fusibles ó MCB

- Se deben usar borneras de pruebas (para ambos TC y TT),

permite realizar pruebas a los relés


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- Aterrar los circuitos secundarios de los TTs y CTs

SERVICIOS AUXILIARES

- Son requeridos para los circuitos de apertura y cierre de los interruptores

- En Baja tensión y media tensión existen servicios auxiliares de CA

- En alta tensión los servicios auxiliares son en CC.

- La corriente continua en Servicios auxiliares es más confiable

que la alterna (2 bancos de Baterías, 2 rectificadores).- Los circuitos de CC son inmunes a los efectos en alta tensión

CONTACTOS DE SALIDA

NO: Normalmente abiertos (cerrados cuando están energizados)

NC: Normalmente cerrados (cerrados cuando estándesenergizados)

CODIGOS ANSI

21: Relé de distancia

25: Relé de sincronismo

27: Relé de mínima tensión

30: anunciador

32: Relé direccional de potencia

37: Mínima potencia y mínima corriente


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46: relé de secuencia negativa

49: relé térmico

50: Relé de sobrecorriente instantáneo

51: Relé de sobrecorriente temporizado

50/51N : Relé de sobrecorriente de tierra (inst, temp)

50BF: Relé de falla interruptor

52: Interruptor

59: Sobretensión

60: relé de balance de tensión y corriente

64: Relé de falla a tierra (Tensión homopolar)

67/67N: Relé direccional de fases/tierra

79: Relé de recierre

81: Relé de frecuencia

85: Relé de envío y recepción

86: Relé de bloqueo y disparo

87: Relé diferencial

87T: Diferencial de transformador

87B: Diferencial de barra

87G: Diferencial de generador

87L: Diferencial de línea


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PROTECCION DE BARRAS

ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA MODERNO DE

ENERGIA ELECTRICA

BARRA SIMPLE

ADECUADA PARA INSTALACIONES PEQUEÑAS

PARA TRABAJOS DE MANTENIMIENTO DEBE SALIR DESERVICIO LA FUENTE DE ALIMENTACION

CON SECCIONADORES DE BARRAS SE PUEDEFLEXIBILIZAR

LAS TAREAS DE MANTENIMIENTO DE UNA PARTE DE LAINSTALACION


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MUY BUENA FACILIDAD PARA AMPLIACION DE LA INSTALA

PROTECCION DE BARRA SIMPLE


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PROTECCION DE DOBLE BARRA CON ACOPLAMIENTO

CONFIGURACION DE BARRAS EN SUB-ESTACIONES

DOBLE BARRA

USADA EN GRANDES INSTALACIONES LAS LABORES DE MANTENIMIENTO SE PUEDEN REALIZAR SIN INTERRUPCION DE LA

FUENTE DE ALIMENTACION LA SUBESTACION PUEDE OPERAR CON BARRAS SEPARADAS

BUENA FLEXIBILIDAD PARA ELMANTENIMIENTO BUENA FACILIDAD PARA AMPLIACION DE LA INSTALACIO


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DOBLE BARRA CON UN INTERRUPTOR (OPERACIÓN

NORMAL)


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DOBLE BARRA CON UN INTERRUPTOR (INT. F1FUERA DE SERVICIO)

BARRA EN ANILLO

USADA EN GRANDES INSTALACIONES

BUENA CONFIABILIDAD DE

SERVICIO

MUY BUENA FLEXIBILIDAD EN

EL MANTENIMIENTO

MUY BUENA FLEXIBILIDAD EN

LA OPERACIÓN

LA FACILIDAD PARA LA AMPLIACION DE LA INSTALACION

ES MUY COMPLICADA


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CONFIGURACION DE BARRAS EN ANILLO


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CONFIGURACION DE BARRAS EN ANILLO

(AMPLIACION CON UNA CELDA).

INTERRUPTOR 1½

USADA EN GRANDES INSTALACIONES

LAS FALLAS EN CUALQUIERADE LAS BARRAS NO OCASIONA

SALIDAS DE SERVICIO

MUY BUENA FLEXIBILIDAD ENEL MANTENIMIENTO

MUY BUENA FLEXIBILIDAD ENLA OPERACIÓN

MUY BUENA FACILIDAD PARALA AMPLIACION DE LA INSTALACION


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CONFIGURACION DE BARRAS EN INTERRUPTOR Y

MEDIO.

CONFIGURACION DE BARRAS EN INTERRUPTOR YMEDIO (AMPLIACION)


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CONFIGURACION DE BARRA PRINCIPAL Y

TRANSFERENCIA


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Sistemas de supervisión y control modernos

PROTECCION DIFERENCIAL DE BARRAS

LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA, BARRAS,GENERADORES Y ALGUNOSMOTORESDEGRANPOTENCIA USAN PROTECCION DIFERENCIAL COMOPROTECCION PRINCIPAL.

Una variedad de métodos se ha usado para implementarlos esquemas de protección diferencial de barras. Laintroducción de la tecnología digital ha permitido introducirconsiderables mejoras en las protecciones diferencialesde barras.

El crecimiento de las redes, especialmente en lo que ageneración se refiere, está ocasionando que los


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transformadores de corriente estén cada vez másexpuestos a la saturación por el incremento de los nivelesde corriente de cortocircuito.

La ley de Khirchoff establece que la suma de corrientes queingresan a un nodo determinado es igual a la suma decorrientes que salen del mencionado nodo. Consideremos doscondiciones de mostradas para la barra simple mostrada en la siguientefigura:

a. Falla externa o flujodecarga b. Falla interna

Protección de Barras 21PROTECCION DIFERENCIAL DE BARRAS –PRINCIPIO BASICO

Una protección diferencial de barras ideal aprovecha el principioque la suma de las corrientes es cero en caso de fallas externasy condiciones de flujos de potencia y que la sumatoria decorrientes es igual a la corriente de falla total para fallas

internas.


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Para el caso de una falla externa, las corrientes que salen de lasbarras son iguales a la suma de todas las corrientes queingresan a la barra, y la suma total es cero; esta situación esigual en condiciones de flujo de potencia normal. Por otro lado,para el caso de una falla interna, la suma de todas las corrientesque ingresan a la barra es igual a la corriente de falla total (lasuma total no es cero).

Desafortunadamente, en la práctica existen inconvenientes queno permiten conseguir una protección diferencial ideal, por loque deben seguirse ciertos pasos para asegurar que laprotección diferencial trabaje adecuadamente aún encondiciones no ideales.

PROTECCION DE BARRAS – DIFERENCIAL DEBAJA IMPEDANCIA TECNOLOGIA DIGITAL


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PROTECCION DE BARRAS –DIFERENCIAL DEBAJA IMPEDANCIA TECNOLOGIA DIGITAL

Se requiere procesar gran número de señales analógicas (decenas de

corrientes). El problema es como concentrar todas las señales dentrodeuna “caja”. Se requiere controlar varias señales lógicas que son parte de lasentradas lógicas del relé para verificar las posiciones de losseccionadores e interruptores con la finalidad de representar en laréplica dinámica de la barra (ajuste dinámico de las zonas de protecciónen una determinada configuración de barras).

Se requiere gran número de contacto de disparos particularmente en

loscasos de barras reconfigurables, es decir, cuando cada interruptor debeser disparado separadamente dependiendo de la configuración de labarra en el momento de la acción de disparo

Se requiere varias zonas de protección para cubrir por secciones en elcaso de sub-estaciones con barras extensas.


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PROTECCION DIGITAL DE BARRAS-ARQUITECTURA

DISTRIBUIDA.


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PROTECCION DIGITAL DE BARRAS – ARQUITECTURA CENTRALIZADA


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CONCLUSIONES

La protección de sistemas de potencia cubre una amplia temática que

nos indica la tecnificación en esta materia y lo delicado de interrumpir elservicio debido a una falla, ya que en la sociedad actual se mueve con

energía eléctrica y al haber un corte del fluido eléctrico por una falla, se

está también paralizando la forma de vida de las sociedades modernas

que dependen mucho del servicio eléctrico para muchas actividades

entre estas el servicio de agua, la conservación de alimentos y

medicinas, los equipos médicos de hospitales, toda la industria basada

en máquinas eléctricas, la circulación de vehículos en las calles y eltráfico marítimo y aéreo, por lo que vemos que los sistemas tienen que

tener sistemas de potencia eléctrica deben ser redundantes. De allí la

importancia de las protecciones.

El corazón de un sistema de potencia eléctrica es el generador por loque para incrementar su vida útil y mantenerlo operativa debe de

mantener además de un buen programa de mantenimiento preventivo

un sistema de protecciones para fallas de tipo natural o provocadas porel personal o también a actos premeditados, para este fin se dispone de

sistemas de protecciones a base de relés, interruptores analógicos o

digitales interconectados en redes de comunicación para mantener los

sistemas de potencia eléctrica siempre operativos.

Apuntes de Protecciones Electricas Moderna

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