SUPERVISIÓN Y ENSAYO DE LOS RELÉS DE PROTECCIÓN General

La idea principal de los ensayos realizados a los relés de protección se basa en aplicar al relé las mismas tensiones e intensidades, con sus respectivos ángulos de fase y que serían las aplicadas durante las condiciones normales de operación.

Los ensayos que vamos a describir en este apartado se van a referir a funciones o equipos de protección con posibilidades de comunicarse a través de ordenadores que hacen de interfase entre el hombre y los equipos de ensayo y las protecciones.

Los ensayos a realizar sobre estos dispositivos pueden ser de aceptación y que los realiza normalmente el fabricante en el laboratorio, existiendo dos posibilidades:

• Ensayo de nuevos productos en los que es interesante realizar una amplia gama de ensayos sobre un prototipo .

• Ensayo de un producto ya comercial en donde el fabricante debe ensayar una a una cada unidad vendida, para asegurar que el producto cumple las especificaciones dadas por el fabricante.

Ensayos de recepción e instalación que se realizan a la recepción del relé haciendo unas pruebas básicas para asegurar que dicho relé no ha sufrido ningún daño en el transporte y una vez ubicados en la instalación, se hacen los ensayos de instalación para comprobar su funcionamiento. Estos ensayos no se repiten a menos que se haya producido una operación incorrecta.

Ensayos de mantenimiento que son periódicos para comprobar que los relés no han perdido ninguna de sus características de funcionamiento y que todas las instalaciones asociadas a ellos actuarán correctamente en el caso de que se produzcan faltas. Las estadísticas nos dicen que el funcionamiento correcto de los sistemas de protección se encuentra en torno al 95% o superior. El despeje de una falta sobre el sistema se considera correcto, solo si el número de interruptores abiertos es el mínimo necesario. El funcionamiento incorrecto se debe principalmente a causas tales como, relés en malas condiciones, conexiones incorrectas, ajustes mal realizados, ambientes contaminantes, elevadas temperaturas, etc.

Puesto que estos dispositivos pueden estar sin operar durante largos períodos de tiempo, se hacen como hemos indicado, unos ensayos periódicos de mantenimiento para asegurar una correcta actuación cuando las protecciones son requeridas para ello. Estos ensayos de mantenimiento pueden ser:

• Ensayos de mantenimiento preventivo. Con estos ensayos se pretende comprobar que el relé está funcionalmente en buenas condiciones y que va a ser capaz de responder adecuadamente cuando se produzca una falta.

• Ensayos de mantenimiento correctivo. Los ensayos de este tipo se realizan cuando se ha producido una falta y la protección no ha actuado correctamente.

Herramientas para la obtención de magnitudes para la realización de los ensayos eléctricos

Una vez vistos los aspectos más importantes de los distintos ensayos que se deben realizar sobre los sistemas de protección del Sistema Eléctrico de Potencia, el siguiente paso consiste en obtener las magnitudes eléctricas de partida para llevar a efecto los mismos. Estas magnitudes se pueden obtener por simulación o a partir de los datos registrados de faltas reales producidas en el sistema.

Magnitudes eléctricas obtenidas a partir de faltas simuladas

Debido a que los sistemas de potencia se explotan cada vez más cerca de sus límites físicos, en la actualidad resulta prácticamente imposible dejar fuera de servicio instalaciones reales para poder realizar ensayos sobre los relés de protección provocando faltas en dichas instalaciones. Una respuesta a este problema consiste en realizar los ensayos de las protecciones a partir de señales obtenidas por procesos de simulación mediante ordenador,

Simulador analógico

Un simulador analógico consiste en un modelo físico del sistema a escala reducida en donde las líneas, transformadores, interruptores, etc., están representadas por inductancias, capacidades y resistencias, que operan a bajas tensiones (10 - 500 V) y bajas intensidades. Las ventajas de este tipo de simulador son:

• Gran aproximación al fenómeno físico real evitando cualquier riesgo de inestabilidad numérica. • Opera en tiempo real, es decir, se provoca la falta en el sistema y el relé responde y se produce el

disparo en el modelo del interruptor para despejar la falta, al igual que sucede en una situación de falta real.

• Es muy rápido y flexible permitiendo hacer gran cantidad de pruebas con distintos parámetros de definición de la falta.

Sin embargo, estos modelos también presentan una serie de inconvenientes:

• Están limitados en el número de componentes del sistema eléctrico a simular.

• Pueden llegar a ser extremadamente caros para el estudio de sistemas complejos, fenómenos no lineales o fenómenos asociados con problemas de acoplamiento entre fases.

• Precisan de un mantenimiento periódico y recalibración.

Debido a la elevada inversión que supone tener un simulador de este tipo, suele ser una opción reservada Esta herramienta se basa en simular los distintos elementos del sistema eléctrico resolviendo las ecuaciones matemáticas que describen su comportamiento. Así se obtienen de forma digital las ondas de tensión e intensidad que aparecen en el sistema bajo diversas hipótesis de funcionamiento. Para realizar los ensayos

∆ I ∆ t TENSIÓN CO RRIEN TE

sobre los relés, estas ondas obtenidas se transforman mediante convertidores Digital/Analógico y se acondicionan a los niveles de potencia requeridos mediante amplificadores. A partir de esta información en forma digital, los ensayos a realizar pueden ser de distinto carácter:

• Ensayos funcionales o en estado permanente y que son ensayos en los cuales las señales varían lentamente hasta llegar a alcanzar los valores de operación del relé, es decir, la variación de la relación entre los incrementos ∆I∆t tiene que ser muy pequeña. Para relés con varias señales de entrada, solo se varía una de las señales cada vez, dejando las demás constantes. No se trata de una situación real. En la Fig. 1 se muestran las ondas de tensión e intensidad de estos ensayos.

• Ensayos pseudo-transitorios, donde se varían las señales de ensayo cambiando instantáneamente del valor de prefalta al valor de falta en régimen estacionario. En este tipo de ensayos se utilizan solamente magnitudes de frecuencia fundamental y no aparece la componente aperiódica de corriente continua. Estos ensayos pueden proporcionar algún resultado erróneo debido a la brusca transición entre los estados de prefalta y falta. En la Fig. 2 se muestran las ondas de este tipo de ensayos.

TEN SI Ó N CORRIE N T E

Fig. 2 - Ondas de tensión e intensidad en ensayos pseudo-transitorios

• Ensayos transitorios, donde las señales que se utilizan para realizar los ensayos representan con gran precisión las magnitudes de tensión e intensidad a las que va a estar sometido un relé cuando se produzca una falta real en algún elemento del sistema. Estas señales incluyen magnitudes de prefalta, falta y postfalta e incorporan componentes de frecuencia fundamental, componentes de alta frecuencia y la componente aperiódica de corriente continua, como se muestran en la Fig. 100.

Herramientas de simulación digital

Estas herramientas son a base de distintos paquetes software que se encargan de calcular las magnitudes de tensión e intensidad en situación de falta. Entre ellos cabe destacar el PSS/E y el MSC para ensayos de carácter

PSS/E (Power System Simulator, de PTI). Se trata de un conjunto de programas y ficheros de datos, que permiten

analizar de forma interactiva mediante cálculo y simulación, una gran variedad de fenómenos en un sistema eléctrico de potencia. Entre los distintos módulos que lo componen se encuentran, la manipulación y actualización de datos, flujos de potencia, análisis de faltas, cálculo de equivalentes de red, estudio de armónicos, simulación dinámica, análisis lineal de redes, etc.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 - 400 - 300 - 200 - 100 0 100 200 300 400 TEN SIÓ N 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 - 20 - 15 - 10 - 5 0 5 10 15 20 CORRI ENTE

Fig. 3 - Ondas de tensión e intensidad en ensayos transitorios

En relación con los ensayos de protecciones, con el PSS/E se puede obtener:

• Los valores eficaces de tensión e intensidad (en magnitud y ángulo) de los diferentes nudos del modelo del sistema en situaciones de falta y prefalta.

• La variación en el tiempo de los valores anteriores, así como de las variables y estados internos de los modelos de las máquinas que componen el sistema

Dado que el PSS/E esta pensado para los estudios de estabilidad y cortocircuitos del sistema, maneja únicamente valores eficaces de las variables, por lo que no es utilizable para el estudio de perturbaciones o transitorios de tiempos inferiores al segundo.

MSC (Modulo de Simulación de Cortocircuitos). El Departamento de Ingeniería Eléctrica de la ETSII y de IT

de Bilbao ha desarrollado un programa software para el cálculo de las magnitudes de tensión e intensidad, que aparecen en los extremos de una línea cuando se produce una falta. Este módulo está integrado dentro de la aplicación LOCAFALT desarrollada para la localización y análisis de faltas.

El MSC permite calcular las magnitudes de tensión e intensidad para líneas de distintas configuraciones tales como, líneas simples de dos extremos; líneas de doble circuito de dos extremos con influencia mutua entre ambos circuitos y líneas de tres extremos.

Al igual que el PSS/E solamente proporciona valores eficaces de las situaciones de prefalta y falta en régimen estacionario y por esta razón, los resultados obtenidos son válidos para realizar ensayos pseudo-transitorios, pero no para ensayos transitorios.

Tanto en el caso del PSS/E como del MSC los resultados son guardados en un fichero, con un formato determinado, que puede ser leído por otra aplicación software, la cual a partir de esos datos, determina las magnitudes de los secundarios de los transformadores de medida y los envía a unos generadores de tensión e intensidad controlados por software, donde se realiza la conversión Digital/Analógica de dichas magnitudes para suministrarlas al relé de protección.

EMTP-ATP (Electromagnetic Transient Program - Alternative Transient Program). La realización de ensayos

transitorios en relés no tuvo una importancia crítica hasta la aparición de los relés estáticos, sobre todo los digitales, de mayor velocidad de respuesta que sus predecesores electromecánicos. En esta línea de actuación se han utilizado diversos programas informáticos que son capaces de simular el período transitorio que aparece

tras producirse cualquier perturbación en la red, siendo el EMTP-ATP el que ha adquirido una de las mayores aceptaciones ya que permite reproducir con gran fiabilidad estas situaciones transitorias.

Este software tiene dos versiones, una de ellas es el EMTP distribuido por el EPRI (Electric Power Research Institute), y la otra es el ATP distribuido hasta ahora por LEC (Leuven EMTP Center-Bélgica). Ambas versiones tienen como punto común de partida, el EMTP desarrollado por H. W. Dommel, pero a partir de 1985 siguen caminos de desarrollo diferentes aunque con cierta colaboración.

Entre las múltiples aplicaciones de este software se pueden citar, los estudios de transitorios electromecánicos y de maniobra, sobretensiones atmosféricas, coordinación de aislamientos, ferro-resonancia, análisis de protecciones, análisis de sistemas de control, etc., disponiendo de un gran número de elementos para realizar las simulaciones.

Para realizar los ensayos sobre las protecciones a partir de los datos obtenidos con esta herramienta de simulación, es necesario realizar una conversión Digital/Analógica y una amplificación de las distintas señales eléctricas. Este proceso se puede realizar mediante un adecuado generador de tensiones e intensidades basado en microprocesador, y compatible con la norma COMTRADE ANSI/IEEE C37.111-1991. Por tanto, los ficheros obtenidos con el EMTP-ATP hay que transformarlos a formato COMTRADE mediante un interfase.

Ensayos a partir de faltas reales

Los ensayos realizados a partir de faltas reales se basan en los datos almacenados por los registradores digitales ubicados en las subestaciones de transporte y distribución de la red de energía eléctrica, que son capaces de reconocer una perturbación y almacenar los datos de las magnitudes de tensión e intensidad de falta y prefalta.

A partir de los datos disponibles de faltas reales y sometiéndolos a distintos tratamientos, se pueden realizar tanto ensayos pseudo-transitorios como transitorios.

Para adecuar los datos de cara a realizar ensayos pseudo-transitorios hay que realizar una primera etapa de filtrado que permita obtener los valores eficaces de la componente fundamental para tensiones e intensidades y posteriormente llevar a cabo una segunda etapa para transformar esas magnitudes de componente fundamental de modo que se puedan alimentar las protecciones a través de los generadores de tensión e intensidad sinusoidales controlados por software.

APÉNDICE II