Consideraciones sobre la protección en la interconexión de la generación distribuida al sistema...

7/25/2019 Consideraciones sobre la proteccin en la interconexin de la generacin distribuida al sistema elctrico de potenc

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Emilio Francesena Bacallao, Marta Bravo de las Casas - 26 -

Ingeniera energtica Vol. XXXII, No. 1/2011 p26 - 34 Enero Marzo. ISSN 1815 - 5901

APLICACIONES INDUSTRIALES

Consideraciones sobre la proteccin en la interconexin de la generacin

distribuida al sistema elctrico de potencia

Considerations on the protection in the interconnection of the distributed

generation to the electric power system

Emilio Francesena - BacallaoMarta Bravo de las Casas

Recibido: enero del 2009Aprobado: marzo del 2009

Resumen/ Abstract

La Generacin Distribuida (GD) es la va que utilizan varios pases para solucionar sus necesidades de disponibilidadde energa elctrica.La interconexin de la GD a los Sistemas Elctricos de Potencia (SEP) requiere de una tcnicade proteccin cuya filosofa puede variar respecto a la conocida tradicionalmente y por lo que su aplicacin debeestar bien fundamentada.Este artculo trata sobre los requerimientos de proteccin en las interconexiones de la GDcon el SEP, de acuerdo a las distintas situaciones y respecto al tipo, interconexin y operacin de las plantas.Palabras claves:proteccin, rels, generacin distribuida, sistema elctrico de potencia

The Distributed Generation is the way that uses several countries to solve their requirements of availability of electricalenergy.The interconnection of the Electric Power System (EPS) with Distributed Generation require of a protectiontechnique whose philosophy can vary with respect to the well-known one and therefore its application must beconceived and based well.The work treats on the requirements of the schemes of protections in these new plants ofgeneration, according to the different presented situations and with respect to the type, interconnection and operationof the same ones in the SEP.Keywords: protection, relays, distributed generation, electric power system

INTRODUCCIN

Cuando se conecta la Generacin Distribuida (GD) en los Sistemas Elctricos de Potencia (SEP), provoca nuevasconsecuencia tcnicas, las que hacen necesaria la revisin de los sistemas de proteccin, por ejemplo, las redesdejan de ser radiales, pueden encontrarse lneas multiterminales, flujos de potencia y de cortocircuito en variasdirecciones, entre otras.

Los esquemas de proteccin que existen en las redes de medio y bajo voltaje son generalmente de sobrecorrientetiempo inverso o tiempo definido, de acuerdo a los criterios convencionales de la proteccin. Puede ocurrir queaparezcan altos tiempos de limpieza de la falla o que exista coordinacin no selectiva, ambas no aceptadas por loscriterios de proteccin y adems por el mercado de la energa elctrica [1].Los sistemas con GD requieren de una tcnica de proteccin cuya filosofa puede variar respecto a la conocidatradicionalmente, debido a que las caractersticas de operacin e interconexin y el tipo de planta, entre otras



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cuestiones a tener en cuenta, hacen necesario analizar, la influencia que provoca la inclusin de la GD en el sistemaal que se conecta y como las perturbaciones en dicho sistema afectan las plantas de GD.

DESARROLLO

Influencia de la conexin de la GD en los Sistemas Elctricos de Potencia.La tarea tcnica principal de la interconexin es cmo unir la GD con los SEP existentes de una manera fiable,segura, y rentable.

Se pueden definir cuatro modos de operacin de la GD con el SEP que en orden de complejidad son [2-4]:1. Aislada, con ninguna posibilidad de conexin al sistema.2. Aislada, con posible conexin de la carga de la GD al sistema, pero no en paralelo ambos.3. Interconectada al sistema, pero sin exportacin de energa.4. Interconectada al sistema y flujo de energa bidireccional.

La IEEE trabaj en 1999 en una norma para la interconexin universal, actualmente llamada IEEE P1547. Supropsito es tener una norma uniforme para la interconexin de generadores de 10 MVA o ms pequeos con lossistemas elctricos de potencia.

Es necesario proteger los generadores de la GD no slo contra los cortocircuitos, sino contra las condicionesanormales de operacin. Muchas de estas condiciones anormales pueden ser impuestas en el generador por elsistema. Algunos ejemplos de dichas condiciones anormales: sobreexcitacin, sobrevoltaje, corrientesdesbalanceadas, frecuencia anormal y esfuerzo torsional del eje debido al recierre automtico de un interruptor de laempresa elctrica. Al estar sometidos a estas condiciones, los generadores pueden, en pocos segundos, sufrir daoso falla completa [5-6]. Las empresas elctricas, por su parte, se preocupan porque la instalacin de generadores deGD puede resultar en daos a sus equipos o a los equipos de sus clientes. Los pequeos generadores dispersosestn conectados al sistema de la empresa elctrica en los niveles de distribucin y subtransmisin. Estos circuitosde la empresa elctrica estn diseados para alimentar cargas radiales.

La introduccin de generadores constituye una fuente indeseada de redistribucin de corrientes de carga y de falla,as como una posible fuente de sobrevoltaje. Por lo general no se permite la operacin en isla de generadores de GDdispersos con carga de la empresa elctrica externas al sitio de la GD, por dos razones importantes:

1. La empresa elctrica debe restaurar los circuitos interrumpidos, y este esfuerzo se complica mucho cuando haygeneradores en isla con cargas de la empresa elctrica. El recierre automtico es generalmente el mtodo que seusa para restaurar energa elctrica a los usuarios. Al haber generadores en isla, se complica el recierre automtico ytambin la conmutacin manual que requiere sincronizar el generador/carga en isla al sistema de la empresaelctrica.

2. La calidad de la energa (los niveles de voltaje y frecuencia, as como los armnicos) puede no ser mantenida porlos generadores de GD en isla al nivel ofrecido por la empresa elctrica, lo que puede resultar en daos a los equiposde los usuarios.

La funcin principal de la proteccin de interconexiones es evitar la formacin de islas en el sistema (detectando laoperacin asincrnica de generadores dispersos) y deber determinar si el generador ha dejado de operar enparalelo con el sistema de la empresa elctrica. La deteccin y el disparo debern ser lo suficientemente rpidos parapermitir el recierre automtico en el sistema de la empresa elctrica.

Los generadores grandes se evalan individualmente y por lo general se conectan al sistema de transmisin de laempresa elctrica. Estos grandes generadores tpicamente no requieren proteccin especfica de interconexin yaque estn integrados al sistema de proteccin de la empresa elctrica. Los pequeos y medianos generadores de GD(alrededor de 5 MW o menos) habitualmente se conectan a los sistemas de subtransmisin y distribucin de laempresa elctrica. Estos circuitos de la empresa estn diseados para alimentar cargas radiales [3-6]. Por ende,como planteamos anteriormente, la incorporacin del generador ofrece una fuente para redistribuir la corriente defalla y la carga del circuito alimentador, y tambin posible sobrevoltaje. Tpicamente, la proteccin de interconexionespara estos generadores se establece en el punto de acoplamiento comn entre la red de la empresa elctrica y la

GD, tambin llamada internacionalmente (por sus caractersticas) Productor Independiente de Energa (IPP eningls). Este puede estar en el secundario del transformador de interconexin, como indica la figura 1, o en elprimario del transformador, como en la figura 2.



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La proteccin en la interconexin debe satisfacer los requisitos para permitir que el generador sea conectado a la red.Su funcin es triple:1. Desconecta el generador cuando ha dejado de operar en paralelo con el sistema.2. Protege el sistema contra los daos ocasionados por la conexin del generador, incluyendo la corriente de fallaque suministra el generador para fallas en el sistema y sobrevoltajes transitorios.3. Protege el generador contra daos producidos por el sistema, especialmente mediante el recierre automtico.

Fig. 1

Fig. 2

La proteccin del generador tpicamente se conecta en los terminales del generador, como se muestra en la figura 3.



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Fig. 3.

La proteccin del generador (ubicada como se muestra en la figura 3) permite detectar:

1. cortocircuitos internos del generador;2. condiciones anormales de operacin (prdida de campo, potencia inversa, sobreexcitacin y corrientes desbalanceadas).

APLICACIN DE LA PROTECCIN A LAS PLANTAS DE GD CONECTADAS AL SISTEMAHay dos tipos tradicionales de generadores de GD que operan interconectados con el sistema: los generadores deinduccin y los generadores sincrnicos.Las mquinas de induccin son tpicamente pequeas (de menos de 500 KVA); son de tamao restringido porque suexcitacin es provista por una fuente externa de VAr. Los generadores de induccin son similares a los motores deinduccin y se arrancan como motor (no requieren equipo de sincronizacin). Las mquinas de induccin puedensuministrar potencia activa al sistema, pero requieren una fuente de potencia reactiva.

Los generadores sincrnicos tienen un devanado de campo de corriente directa que proporciona una fuente deexcitacin a la mquina. Pueden ser una fuente de potencia activa y reactiva para el sistema y requieren equipo desincronizacin para la puesta en paralelo con la red elctrica.Ambos tipos de mquinas requieren proteccin de interconexin.

La proteccin de interconexin para los generadores de induccin por lo general requiere nicamente rels desobre/bajo voltaje y de frecuencia.Las caractersticas de la proteccin de interconexiones varan substancialmente dependiendo de factores como:tamao del generador, punto de interconexin con el sistema, tipo de generador y configuracin del transformador deinterconexin.

Se pueden citar de forma general, los objetivos especficos de un sistema de proteccin de interconexiones deplantas con GD, as como las funciones de proteccin necesarias para lograr cada objetivo, esto se resume en latabla 1. [5- 8].



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Tabla 1

Objetivo de la Proteccin. Funcin de Proteccin a emplear.

Deteccin de la prdida deoperacin en paralelo con elsistema.

81O/U, 81R, 27/59, 59I, Disparo Transferido

Deteccin de alimentacin de fallasFallas de Fase: 51V, 67, 21Fallas a Tierra: 51N, 67N, 59N, 27N

Deteccin condiciones perjudicialesen el sistema

47, 46

Deteccin de flujo de potenciaanormal

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Restauracin 25

Para detectar la prdida de operacin en paralelo con el sistema, la filosofa consiste en establecer un rango desobre/baja frecuencia (81O/U) y sobre/bajo voltaje (27/59) dentro del cul se le permite operar al generador. Cuandoel generador de GD est en isla, debido ya sea a una falla o a otra condicin anormal, la frecuencia y el voltajesaldrn con rapidez fuera del rango de operacin si existe una diferencia significativa entre los niveles de la carga yde generacin.

En algunas aplicaciones de cogeneracin, se utilizan rels de razn de cambio de la frecuencia (81R) para poderdetectar ms rpidamente la prdida del suministro del sistema y separa de la empresa elctrica las instalaciones dela planta.Si la carga y el generador estn casi en equilibrio al momento de la separacin, el voltaje y la frecuencia puedenpermanecer dentro del rango de operacin normal y puede no producirse el disparo por baja/sobrefrecuencia ysobre/bajo voltaje. De existir esta posibilidad, quizs se necesite contar con disparo transferido, usando un medio

confiable de comunicacin.

Cuando los generadores de induccin estn en isla con carga que incluyan capacitores y la capacidad del generadores cercana a la de la carga, puede ocurrir una condicin resonante que produzca un sobrevoltaje no sinusoidal. Paraestos casos, se puede utilizar un rel de sobrevoltaje instantneo (59I) que responda a picos de sobrevoltaje parapermitir detectar esta situacin.Cuando se detecte la prdida de operacin en paralelo, el generador de GD deber ser separado del sistema de laempresa elctrica con rapidez suficiente para permitir el recierre automtico del interruptor en la subestacin delsistema.

El uso de rels de baja frecuencia en conjuncin con la necesidad de separar el generador de GD antes del recierredel interruptor de la empresa elctrica, impide a la mayor parte de los pequeos generadores dispersos suministrarenerga de respaldo a la empresa elctrica durante perturbaciones importantes en el sistema. Cuando la frecuencia

decrece a causa de una perturbacin importante en el sistema, estos generadores disparan quedando fuera de lnea.Si se extienden los tiempos de disparo por baja frecuencia, quizs resultar necesario modificar el mtodo de recierrede la subestacin, utilizando supervisin del voltaje y/o recierre con comprobacin de sincronismo (25).

Esquemas de proteccin para la interconexin de pequeos generadores de GD

En la figura 4 se muestra un esquema tpico de sobre/bajo voltaje y sobre/baja frecuencia en una pequea instalacinde GD. Estas funciones de proteccin pueden todas incluirse en un slo rel digital de multifuncin, como los que seintroducen actualmente en nuestro pas. [2-4],[7],[9].En muchos generadores pequeos de GD, no se proporciona deteccin de alimentacin de fallas. Los generadoresde induccin suministran tan slo dos o tres ciclos de corriente de falla para las fallas externas, similarmente a losmotores de induccin.

Las pequeas mquinas sincrnicas estn generalmente tan sobrecargadas luego que dispara el interruptor de lasubestacin del sistema, que su contribucin a la corriente de falla es muy baja.



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Fig. 4

Para estos pequeos generadores, la deteccin de la prdida de operacin en paralelo por medio de los rels 81O/Uy 27/59 es toda la proteccin de interconexin que se necesita, adems, como es lgico, de la especfica que puedadar el fabricante para el generador y el motor primario.

Esquemas de proteccin para la interconexin de generadores medianos de GD

Cuanto mayor sea el generador, mayor es la posibilidad que contribuir una magnitud significativa de corriente a unafalla en el sistema, por ello se proporciona la deteccin de alimentacin de fallas adems de la proteccin contraprdida de operacin en paralelo. [2-6], [10].

Al desarrollar un sistema de proteccin contra alimentacin de fallas externas, es necesario considerar el decaimientode la corriente de cortocircuito ante dichas fallas. Tpicamente, se emplean funciones de rel tales como la 67(direccional), la 21 (distancia) o la 51V (sobrecorriente controlado por voltaje) para deteccin de la alimentacin defallas de fase; como se puede observar en el esquema de la figura 5.

Los ajustes para los rels 67 y 21, debern definirse excediendo el nivel de corriente de generacin que la GD estsuministrando al sistema. Algunos especialistas utilizan un rel de sobrecorriente controlado con restriccin de voltaje(51V) junto con la funcin 67 para incrementar la sensibilidad del arranque.La proteccin para la eliminacin de la alimentacin de fallas externas a tierra depende de la conexin del devanadoprimario del transformador de interconexin. Para devanados de transformador con primario conectado a tierra seutiliza un rel de sobrecorriente de neutro 51N, o en algunos casos, un rel direccional de tierra 67N.

En la figura 5 se muestra una proteccin tpica para instalaciones con transformadores de interconexin condevanado primario conectado a tierra.Para transformadores de interconexin no puestos a tierra, como se muestra en la figura 6, los rels de sobrevoltajede neutro (59N, 27N) proporcionan la deteccin de fallas a tierra del suministro. Los VTs que alimentan estos relstienen sus devanados primarios conectados fase a tierra. Muchas empresas elctricas utilizan conexiones detransformadores de voltaje utilizando un slo VT con rels 59N y 27N o tres VTs conectados en configuracin deltaabierta.



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Fig. 5

Fig. 6

Las condiciones de corrientes desbalanceadas producidas por conductores abiertos o inversiones de fase en elcircuito de suministro del sistema pueden someter al generador a un alto nivel de corriente de secuencia negativa.Esta alta corriente de secuencia negativa resulta en un rpido calentamiento del rotor, lo que provoca daos en elmismo. Para la proteccin contra estas corrientes desbalanceadas, se utiliza un rel de sobrecorriente de secuencianegativa (46).

Para ofrecer proteccin contra inversiones de fase debidas al intercambio de fases inadvertido luego de larestauracin de la potencia, se utiliza tambin un rel de voltaje de secuencia negativa (47). Estas funciones semuestran tambin en las figuras 5 y 6.

Los rels digitales actuales de multifuncin cuentan con diversas caractersticas que los hacen ideales para laproteccin de interconexiones de generadores de GD. [1], [4-6], [9].



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En dichas figuras se encierran en lneas de puntos las funciones de proteccin que se pueden agrupar en un solo relde este tipo, cuya lnea es la seguida para la proteccin de los grupos electrgenos que actualmente se instalan ennuestro pas y muchos de los cuales ya estn sincronizados al SEP Nacional.Como se mencion al principio, algunos modos de operacin entre plantas que cogeneran y empresas elctricasprohben a las plantas suministrar potencia a la empresa elctrica. El cogenerador suministra potencia nicamente ala carga local en sus instalaciones y reduce los costos de demanda de la empresa elctrica mediante la reduccin depicos de demanda. El procedimiento frecuente de las empresas elctricas consiste en instalar un rel de potenciadireccional (32) para disparar el generador si se producen flujos inadvertidos de potencia durante un perodopredeterminado de tiempo.

Una vez que el generador ha sido separado del sistema luego que haya operado la proteccin de la interconexin,ser necesario restaurar dicha interconexin, para ello se utiliza, un rel de comprobacin de sincronismo (25), quemide el ngulo de fase ( ), el deslizamiento ( F) y la diferencia de voltaje ( V) entre los sistemas de la empresaelctrica y de la generacin, como se muestra en la figura 7. Tpicamente, dichos rels supervisan el recierre local yremoto.

Fig. 7.

CONCLUSIONES

Vemos que los factores que determinan los requisitos de la proteccin incluyen: el tamao del generador, el punto deinterconexin con el sistema de la empresa elctrica, el tipo de generador, la conexin del transformador deinterconexin con el sistema y los niveles de alimentacin a fallas entre otros.En este trabajo se ofrece de forma resumida una gua acerca de los esquemas de proteccin y las protecciones aemplear.

Se requiere de conocimientos de los especialistas sobre las condiciones de operacin de la planta de GD y el SEP encada localizacin.



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Los grupos electrgenos que se instalan actualmente en nuestro Sistema Elctrico Nacional, as como aquellasplantas de emergencia que tienen la posibilidad de sincronizacin futura con el SEP, deben tener esquemas quegaranticen la seguridad de operacin, tanto para la GD como para el sistema actual de nuestro pas.

REFERENCIAS

[1]BRAVO M. Y FRANCESENA, E.Algunos Aspectos de las Protecciones de los Sistemas Elctricos conGeneracin Distribuida.Editorial Feijo , 2005. p 5 . ISBN ISBN 959250201-3.

[2]U.S. Department of Energy. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Distributed GenerationInterconnection Manual. [Consultado el: http://www.puc.state.tx.us/electric/business/dg/dgmanual.pdf

[3]GUSTAFSON, G. Intertie Requirements for DGs Connected to Radial Distribution Feeders. On 31st AnnualWestern Protective Relay Conference Spokane, Washington.October 19-21, 2004.[Consultado el:http://www.basler.com/downloads/IntertieReqs.pdf

[4]HAZEL, T. Produccin de energa elctrica integrada en emplazamientos industrials y edificios comercialescommercial buildings. Schneider Electric.2001, 28 p. p.

[5]Resource Dynamics Corporation. Application Guide for Distributed Generation Interconnection: 2003 Update .

The NRECA Guide to IEEE 1547,[6] MOZINA, C. J. Proteccin de Interconexiones de Generadores de IPP Usando Tecnologa Digital. En XII

Reunin de verano de potencia.En:Acapulco, Captulo de Potencia, Mxico (RVP'99).July 11-16,1999. . p.pp 681-688.

[7] "Long Island Power Authority (LIPA). Long island power authority interconnection requirements for newdistributed generation greater than 300 kVA operating in parallel with LIPAs radial distribution system".Marzo 2003, 32 p.

[8] Boletn Oficial del Estado Normas de funcionamiento y conexin a las redes elctricas de centrales deautogeneracin. Espaa: [Consultado el:http://www.coitiab.es/reglamentos/electricidad/reglamentos/ORD_50785.htm

[9]FUCHS, R. Protection schemes for decentralized power generation.2004. vol. Vol.1, pp 323 326 p. p On

Developments in Power System Protection, Eighth IEE International Conference. ISBN ISBN: 0-86341-385-4

[10]KARLAK J. "Technical Requirements for Interconnection and Parallel Operation of Distributed Generation".USA, 2003.

AUTORESEmilio Francesena BacallaoIngeniero Elctrico, MSc en Ingeniera Elctrica, mencin Sistemas Elctricos, Profesor Auxiliar y laboro en el

Centro de Estudios Electroenergticos en la Facultad de Ingeniera Elctrica de la Universidad Central "MartaAbreu" de Las Villas, UCLV. [email protected]

Marta Bravo de las Casas.Ingeniera Elctrica, Dra. en Ciencias Tcnicas, Profesora Titular Centro de Estudios Electroenergticos de laFacultad de Ingeniera Elctrica de la Universidad Central de las Villas, UCLV. [email protected] [email protected]

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]

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