Coordinación de las protecciones de sobrecorriente del sistema de subtransmisión de la Empresa Eléctrica Provincial Cotopaxi ante el cambio de configuración de red radial a red en anillo

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(1)La versión digital de esta tesis está protegida por la Ley de Derechos de Autor del Ecuador.. Los derechos de autor han sido entregados a la “ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL” bajo el libre consentimiento del (los) autor(es).. Al consultar esta tesis deberá acatar con las disposiciones de la Ley y las siguientes condiciones de uso:. · Cualquier uso que haga de estos documentos o imágenes deben ser sólo para efectos de investigación o estudio académico, y usted no puede ponerlos a disposición de otra persona.. · Usted deberá reconocer el derecho del autor a ser identificado y citado como el autor de esta tesis.. · No se podrá obtener ningún beneficio comercial y las obras derivadas tienen que estar bajo los mismos términos de licencia que el trabajo original.. El Libre Acceso a la información, promueve el reconocimiento de la originalidad de las ideas de los demás, respetando las normas de presentación y de citación de autores con el fin de no incurrir en actos ilegítimos de copiar y hacer pasar como propias las creaciones de terceras personas.. Respeto hacia sí mismo y hacia los demás..

(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. COORDINACIÓN DE LAS PROTECCIONES DE SOBRECORRIENTE DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE LA EMPRESA ELÉCTRICA PROVINCIAL COTOPAXI ANTE EL CAMBIO DE CONFIGURACIÓN DE RED RADIAL A RED EN ANILLO.. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICO. GUANO SINCHIGUANO XAVIER ARMANDO wayantonyjavier@hotmail.com. DIRECTOR: Dr. Ing. FABIÁN ERNESTO PÉREZ YAULI fabian.perez@epn.edu.ec CODIRECTOR: Dr. Ing. HUGO NEPTALÍ ARCOS MARTÍNEZ hugo.arcos@epn.edu.ec. Quito, Octubre 2017.

(3) DECLARACIÓN. Yo Xavier Armando Guano Sinchiguano, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. __________________________ Xavier Armando Guano Sinchiguano.

(4) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Xavier Armando Guano Sinchiguano, bajo nuestra supervisión.. _____________________________ Dr. Ing. Fabián Ernesto Pérez Yauli DIRECTOR DEL PROYECTO. _____________________________ Dr. Ing. Hugo Neptalí Arcos Martinez CODIRECTOR DEL PROYECTO.

(5) AGRADECIMIENTO. A Dios por su amor y bondad infinita, los cuales me han permitido seguir adelante y seguir en una incesante lucha; los logros conseguidos hasta hoy son gracias a sus bendiciones. A mi familia entrañable, Sinchiguano Loma y Guano Sinchiguano, pilar fundamental y razón de mi vida, son los principales actores de mi desarrollo, gracias a sus aportes invaluables depositados en mi persona, que serán de entera ayuda para toda mi vida. A ti Ana Gabriela, has sido mi apoyo en cualquier momento de mi vida, este logro no fue fácil, pero gracias a tu amor, ayuda y motivación se ha hecho realidad este sueño. A la empresa ELEPCO S.A, que de manera generosa me brindó la oportunidad de llevar a cabo este proyecto, en especial a los Ings. Miguel Lucio, Williams Olalla, Carlos Saavedra y Luis Chanatásig, quienes son mis promotores de motivación y conocimiento, tanto en el campo laboral y personal. A mi Director y Codirector, Dr. Fabián Pérez y Dr. Hugo Arcos, dedico mi agradecimiento más sincero por los esfuerzos y dedicación empleado en mi persona, ya que gracias a sus conocimientos, orientaciones y paciencia han representado un apoyo fundamental en la realización de este trabajo. Mi lealtad, admiración y gran deuda hacia ustedes por todo lo recibido durante el periodo de tiempo como alumno y tesista..

(6) DEDICATORIA. Este trabajo está dedicado a las personas más importantes en mi vida; a mi Familia querida, ya que gracias al apoyo absoluto hacen posible la culminación de esta meta..

(7) I. CONTENIDO CONTENIDO .................................................................................................................................... I RESUMEN ..................................................................................................................................... VI PRESENTACIÓN............................................................................................................................. IX ................................................................................................................................... 1 GENERALIDADES............................................................................................................................ 1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 OBJETIVO ............................................................................................................................ 1 1.2.1 OBJETIVO GENERAL.................................................................................................... 1 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS............................................................................................. 1 ALCANCE............................................................................................................................. 2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO .......................................................................................... 2 ................................................................................................................................... 4 MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................... 4 FILOSOFÍA DE PROTECCIONES ............................................................................................ 4 COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIONES ..................................................... 5 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIONES ..................................... 5 2.3.1 PROTECCIÓN PRIMARIA ............................................................................................. 6 2.3.2 PROTECCIÓN SECUNDARIA ........................................................................................ 6 PROPIEDADES DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIONES ........................................................ 8 2.4.1 SENSITIVIDAD ............................................................................................................. 8 2.4.2 SELECTIVIDAD............................................................................................................. 8 2.4.3 RAPIDEZ...................................................................................................................... 8 2.4.4 CONFIABILIDAD .......................................................................................................... 8 DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN .......................................................................................... 9 2.5.1 TRANSFORMADORES DE CORRIENTE......................................................................... 9 2.5.2 TRANSFORMADORES DE VOLTAJE ........................................................................... 10 2.5.3 RELÉS DE PROTECCIÓN ............................................................................................ 12 2.5.4 RELÉS DE PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE ......................................................... 14 2.5.5 RELÉS DE PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE DIRECCIONAL .................................. 18 OPERACIÓN COORDINADA DE PROTECCIONES ............................................................... 19 2.6.1 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES CON RELÉS DE SOBRECORRIENTE DE TIEMPO DEFINIDO........................................................................................................................... 19 2.6.2 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES CON RELÉS DE SOBRECORRIENTE DE TIEMPO INVERSO ............................................................................................................................ 20.

(8) II. 2.6.3 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES CON RELÉS DE SOBRECORRIENTE DE TIEMPO INVERSO E INSTANTÁNEA ................................................................................................. 21 PROTECCIONES DE ELEMENTOS DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN ............................ 22 2.7.1 PROTECCIÓN DEL TRANSFORMADOR ...................................................................... 22 2.7.2 PROTECCIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN ............................................................. 28 AJUSTE DE LAS FUNCIONES DE PROTECCIÓN .................................................................. 30 2.8.1 AJUSTES REQUERIDOS PARA TCs Y TPs. ................................................................... 31 2.8.2 SELECCIÓN DE LOS RELÉS PARA TRANSFORMADORES ............................................ 33 2.8.3 LÍNEA DE SUBTRANSMISIÓN .................................................................................... 35 ANÁLISIS DE CORTOCIRCUITOS EN POWERFACTORY ...................................................... 41 NORMA INTERNACIONAL ESTANDARIZADA IEC 60909 (ANÁLISIS DE CORRIENTE DE CORTOCIRCUITOS EN SISTEMAS TRIFÁSICOS DE CORRIENTE ALTERNA) ............................... 42 ................................................................................................................................. 45 DESCRIPCIÓN Y MODELACIÓN DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ................ 45 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 45 ÁREA DE CONCESIÓN ....................................................................................................... 45 FUENTES DE SUMINISTRO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA .................................................... 46 NODOS DEL SISTEMA NACIONAL INTERCONECTADO SNI ................................................ 47 3.4.1 SUBESTACIÓN MULALÓ 138 kV ............................................................................... 47 3.4.2 SUBESTACIÓN AMBATO 138 kV ............................................................................... 49 3.4.3 SUBESTACIÓN QUEVEDO 69 kV ............................................................................... 50 3.4.4 GENERACIÓN PROPIA............................................................................................... 51 LÍNEAS DE SUBTRANSMISIÓN .......................................................................................... 53 SUBESTACIONES DE DISTRIBUCIÓN Y ELEVACIÓN ........................................................... 56 3.6.1 SUBESTACIONES DE DISTRIBUCIÓN ......................................................................... 56 MODELACIÓN DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN ACTUAL ........................................... 59 3.7.1 DELIMITACIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO .................................................................... 59 FLUJOS DE POTENCIA EN LA ZONA CENTRO Y OBTENCIÓN DE RESULTADOS ................. 60 3.8.1 DEMANDAS MÁXIMA Y MÍNIMA DEL AÑO 2015 ..................................................... 61 3.8.2 MODELACIÓN DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ....................... 62 3.8.3 FLUJOS DE POTENCIA ............................................................................................... 62 3.8.4 ANÁLISIS DE FLUJOS DE POTENCIA .......................................................................... 71 CORTOCIRCUITOS EN EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ...................... 71 3.9.1 OPERACIÓN EN ANILLO ............................................................................................ 71 ................................................................................................................................. 73 EVALUACIÓN DE CONFIABILIDAD EN EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ......... 73.

(9) III. CONCEPTOS GENERALES .................................................................................................. 73 4.1.1 CONFIABILIDAD ........................................................................................................ 73 4.1.2 INDICADORES DE CONFIABILIDAD ........................................................................... 74 4.1.3 CÁLCULO DE ÍNDICES DE CONFIABILIDAD ............................................................... 75 4.1.4 NÚMEROS ALEATORIOS ........................................................................................... 75 4.1.5 NÚMEROS PSEUDOALEATORIOS ............................................................................. 76 DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO UTILIZADO .......................................................................... 77 4.2.1 MÉTODO DE SIMULACIONES DE MONTECARLO ...................................................... 77 USO DE LA HERRAMIENTA COMPUTACIONAL EN POWERFACTORY ............................... 78 4.3.1 ESTRUCTURA ............................................................................................................ 78 4.3.2 INGRESO DE LA RED ................................................................................................. 79 4.3.3 DEFINICIÓN DE VARIABLES ...................................................................................... 82 APLICACIÓN AL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN Y RESULTADOS..................................... 84 4.4.1 RED CON LÍNEA ABIERTA.......................................................................................... 85 4.4.2 RED CON LÍNEA CERRADA ........................................................................................ 86 VALORES DE ENS DETERMINADOS EN DÓLARES ............................................................. 87 4.5.1 CALCULO DEL VPN.................................................................................................... 88 4.5.2 APLICACIÓN DE LAS ECUACIONES PARA DETERMINAR EL VALOR PRESENTE NETO VPN.................................................................................................................................... 89 ................................................................................................................................. 91 ESTUDIO DE AJUSTE Y COORDINACIÓN DE PROTECCIONES PARA EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN ....................................................................................................................... 91 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 91 RELÉS INSTALADOS EN EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. .................... 92 5.2.1 TRANSFORMADOR ................................................................................................... 92 5.2.2 DATOS RECOPILADOS DEL SISTEMA DE PROTECCIONES EN EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ................................................................................... 92 SELECCIÓN DEL TIPO DE RELÉ EN CADA ELEMENTO DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN .................................................................................................................. 97 5.3.1 SELECCIÓN DEL RELÉ PARA LOS TRANSFORMADORES DE SUBTRANSMISIÓN ...... 97 5.3.2 SELECCIÓN DEL RELÉ PARA LAS LÍNEAS DE SUBTRANSMISIÓN ............................. 99 CÁLCULO DE LOS TCs Y TPs PARA LOS RELÉS PLANIFICADOS EN EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ...................................................................................... 102 5.4.1 CÁLCULO DE TCs PARA EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN ................................... 102 5.4.2 CÁLCULO DE TPs PARA EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN ................................... 106 AJUSTE DE LOS EQUIPOS DE PROTECCIÓN DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. .......................................................................................................................... 106.

(10) IV. 5.5.1 AJUSTE DE LOS RELÉS PARA LOS TRANSFORMADORES ......................................... 106 5.5.2 AJUSTE DE LOS RELÉS PARA LAS LÍNEAS DE SUBTRANSMISIÓN ............................ 111 RESUMEN DE LOS AJUSTES DE LOS EQUIPOS DE PROTECCIÓN. .................................... 124 DIVISIÓN POR ZONAS DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ................. 135 5.7.1 ZONA_ILL_CALV ..................................................................................................... 136 5.7.2 ZONA_LAIGUA_SRAF.............................................................................................. 138 COORDINACIÓN DE LAS PROTECCIONES EN LOS TRANSFORMADORES DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN ................................................................................................................ 140 5.8.1 EJEMPLO DE VALIDACIÓN DE LA COORDINACIÓN DE PROTECCIONES ................. 142 5.8.2 SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCIÓN PUJILÍ 69/13.8 kV .............................................. 142 5.8.3 SUBESTACIÓN DE DISTRIBUCIÓN LA COCHA 69/13.8 kV ....................................... 146 5.8.4 COMENTARIO GENERAL ......................................................................................... 153 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES DE LAS LÍNEAS DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ..................................................................................................................... 154 5.9.1 DIVISIÓN DE RECORRIDOS ESTRATÉGICOS EN EL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ..................................................................................................................... 154 5.9.2 DIAGRAMA DE COORDINACIÓN DISTANCIA VS TIEMPO. ...................................... 157 5.9.3 EJEMPLO DE VALIDACIÓN DE LA COORDINACIÓN DE PROTECCIONES ................. 159 5.9.4 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES PARA EL RECORRIDO LAIGUA ILLUCHI ......... 185 COMPROBACIÓN DE LA OPERACIÓN DEL RELÉ DE BAJO VOLTAJE 27 ......................... 188 ............................................................................................................................... 191 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................................................... 191 CONCLUSIONES .............................................................................................................. 191 RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 192 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................. 194 ANEXO 1 .................................................................................................................................... 197 RESULTADOS DE FLUJO DE POTENCIA DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN RADIAL DE ELEPCO S.A.............................................................................................................................................. 197 ANEXO 2 .................................................................................................................................... 198 RESULTADOS DE FLUJO DE POTENCIA DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN EN ANILLO DE ELEPCO S.A. ............................................................................................................................... 198 ANEXO 3 .................................................................................................................................... 199 MODELACIÓN DE CONFIABILIDAD DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ........ 199 ANEXO 4 .................................................................................................................................... 200 MANUAL DE USUARIO UTILIZADO PARA EL ANÁLISIS DE CONFIABILIDAD [15]. ...................... 200 ANEXO 5 .................................................................................................................................... 203 DIVISIÓN POR ZONAS DEL SISTEMA DE SUBTRANSMISIÓN DE ELEPCO S.A. ............................ 203.

(11) V. ANEXO 6 .................................................................................................................................... 204 ESTUDIO DE CORTOCIRCUITOS EN LAS LÍNEAS DE SUBTRANSMISIÓN ..................................... 204.

(12) VI. RESUMEN Las protecciones eléctricas tienen un rol fundamental para la adecuada operación y seguridad dentro de un sistema eléctrico de potencia, particularmente para los sistemas de subtransmisión por ser el sistema que abastece de energía a las empresas distribuidoras desde los puntos de interconexión hasta los centros de carga, y por ello viene a convertirse en un sistema de vital importancia dentro de estas empresas, que requiere un eficiente sistema de protecciones, para asegurar la integridad del personal y de los elementos eléctricos protegidos y la continuidad del servicio eléctrico. Por tal motivo, el sistema de subtransmisión de la Empresa Eléctrica Provincial Cotopaxi (ELEPCO S.A.), debido al cambio topológico planificado por la empresa, pasando de un sistema radial a un sistema en anillo, requiere el diseño de un sistema de protecciones que mediante su implementación permitan transportar la energía de forma segura y confiable, mejorando la calidad del servicio eléctrico de sus usuarios. Para cumplir con los objetivos propuestos en este trabajo de titulación, se especifica en primera instancia una visión general de la teoría de protecciones, la cual comprende las principales características y ajustes requeridos para el diseño del sistema de protecciones, esto aplicado para los equipos componentes del sistema de subtransmisión como son: transformadores y líneas de subtransmisión; para el efecto se investigó fundamentación teórica de protecciones basada en normas y literatura especializada en el tema con el fin de proponer el sistema de protecciones adecuado para cada uno de los equipos de potencia. Además, se analiza el sistema de subtransmisión de ELEPCO S.A., tanto para la condición actual como para la planificada, con el fin de obtener un modelo matemático que represente el sistema físico como tal; para cumplir con este fin, la empresa ELEPCO S.A., mediante las direcciones de: Planificación, Generación y Técnica facilito la información necesaria para establecer un modelo eléctrico adecuado, información que permitió modelar el sistema de.

(13) VII. subtransmisión en el programa PowerFactory y realizar los estudios requeridos para este trabajo de titulación. Los estudios de flujos de potencia permitieron determinar la situación actual de operación del sistema de subtransmisión de ELEPCO S.A., y los efectos producidos en el sistema al aplicar el cambio topológico planificado en la red, bajo los diferentes escenarios de demanda como son: máxima y mínima, para dicho análisis se emplea el programa computacional PowerFactory. El sistema de subtransmisión también fue sometido a un estudio de confiabilidad, el cual permitió cuantificar los índices de confiabilidad como son: probabilidad de perdida de carga (LOLP) y energía no suministrada (ENS), los cuales se compararon para dos condiciones tanto para el sistema actual (radial) y el sistema planificado (en anillo), y con ello determinar bajo cuál de estas. dos. condiciones. el. sistema. adquiere. mayor. confiabilidad;. independientemente del sistema de protecciones. En el análisis de cortocircuitos, se realizó un conjunto de simulaciones de fallas en diferentes puntos de la red modelada, con el fin de determinar las corrientes de cortocircuito, que sirvieron de apoyo para la calibración y verificación de los ajustes de las funciones de protección, aplicada en los transformadores y las líneas de subtransmisión. Dado que al sistema se planifica cambiar a un sistema en anillo; dicho cambio afecta directamente a los flujos de corriente tanto en magnitud como en dirección; razón por la cual fue necesario analizar los transformadores de corriente (TCs) y verificar si presentan o no problemas de saturación bajo las nuevas condiciones de operación; además de ello se analizó los relés que pueden seguir operando dentro del sistema de potencia, dada sus características propias de cada uno de ellos. Utilizando los resultados tanto de los flujos de potencia y cortocircuitos se procedió a realizar la coordinación de protecciones con los elementos seleccionados anteriormente (relés y TCs). Finalmente se resume los resultados obtenidos de la propuesta de ajuste y coordinación del sistema de protecciones; cerrando el estudio se presentó las.

(14) VIII. conclusiones y recomendaciones que han surgido tras el desarrollo de este trabajo de titulación..

(15) IX. PRESENTACIÓN El presente trabajo tiene como principal objetivo, realizar un estudio de coordinación de protecciones del sistema de subtransmisión a 69 kV de la Empresa Eléctrica Provincial Cotopaxi (ELEPCO S.A.) considerando su operación de red en anillo. El Capítulo 1 presenta una introducción del sistema de subtransmisión de ELEPCO S.A., además de los objetivos generales y específicos, finalmente la justificación del trabajo. El Capítulo 2 comprende el marco teórico, con el que se determinan las condiciones de operación del sistema de protecciones en general. Para este propósito se realizó consultas en libros, papers, referencias bibliográficas entre otros, que fueron fuente de información sobre los componentes de los sistemas de subtransmisión y de sus sistemas de protección. Además de ello se solicitó a los diferentes departamentos de la empresa, información efectiva para la realización de este trabajo, como es el área de Planificación, Estudios Técnicos, Generación, entre otros. El Capítulo 3 presenta una descripción de la modelación y validación del sistema, tomando como base la información recopilada, se realizó la modelación del sistema de subtransmisión de ELEPCO S.A. utilizando el programa computacional PowerFactory. Dicha modelación se llevó a cabo considerando la situación actual de la red, para luego ajustarla a la nueva configuración en anillo; la cual es motivo de este estudio. Para establecer las demandas de estudio, se examinaron los consumos medidos durante el año 2015 y el primer semestre del año 2016 en los puntos de entrega del Sistema Nacional Interconectado (SNI), con el fin de validar dicha modelación; una vez validado el modelo se utiliza las demandas máximas y mínimas producidas en el primer semestre del año 2016, con el objeto de realizar el estudio con los datos actualizados y obtener resultados con mayor confiabilidad. En el Capítulo 4 se realiza la evaluación de confiabilidad. Una vez obtenida la modelación, se modificó la misma acorde a la codificación utilizada por el lenguaje de programación en Digsilent (DPL) realizado en un trabajo de.

(16) X. titulación sobre análisis de confiabilidad; realizado esto se ejecutó flujos óptimos de confiabilidad en el sistema de subtransmisión de ELEPCO S.A., tanto en condiciones actuales como en la nueva configuración en anillo. En el Capítulo 5 se realiza los ajustes y coordinación de protecciones. Una vez validada la modelación, se conectó la línea de subtransmisión HOLCIM-SAN RAFAEL a 69 kV con la subestación SAN RAFAEL del mismo nivel de voltaje, bajo esta condición se obtuvo la nueva configuración del sistema. A continuación se realizó un estudio de coordinación de protecciones, para lo cual se consideró las protecciones adecuadas de sobrecorriente direccional y no direccional en los diferentes equipos como transformadores y líneas del sistema de subtransmisión de ELEPCO S.A.; con este análisis permitió determinar los ajustes requeridos para cada relé utilizado. El funcionamiento adecuado de las protecciones de acuerdo a los ajustes propuestos se verificó a través de varias simulaciones de cortocircuitos. En los casos particulares donde se necesite requerimientos adicionales como protección de bajo voltaje fueron solventados en función de los resultados obtenidos de las simulaciones. Finalmente en el Capítulo 5 se realiza una recopilación de los criterios de coordinación de las protecciones utilizadas, considerando el cambio de configuración del sistema de subtransmisión, éstos, representan los resultados obtenidos de la realización del presente trabajo de titulación. En el Capítulo 6 se presentan las conclusiones y recomendaciones que se obtuvieron después de haber realizado el trabajo de coordinación de protecciones..

(17) 1. GENERALIDADES INTRODUCCIÓN La Empresa Eléctrica Provincial Cotopaxi (ELEPCO S.A.) tiene previsto realizar, en un futuro cercano, un cambio topológico de sus redes de subtransmisión. Dicho cambio implica cambiar la red de una configuración radial a una en anillo. En las condiciones operativas actuales, la demanda eléctrica de ELEPCO S.A. es atendida de forma radial desde dos puntos de entrega pertenecientes al Sistema Nacional de Transmisión (SNT). El primero de ellos corresponde a la bahía Latacunga de la subestación Ambato – TRANSELECTRIC y el segundo punto de entrega está representado por la subestación Mulaló – TRANSELECTRIC. Para la configuración en anillo, se pretende interconectar estos puntos de entrega a través de la subestación San Rafael de ELEPCO. Uno de los principales problemas técnicos que se presentan con este cambio topológico, está relacionado con la coordinación de protecciones existentes en las instalaciones operativas, por lo que un estudio que permita establecer su coordinación, es requerido.. OBJETIVO 1.2.1 OBJETIVO GENERAL Realizar. el. estudio. de. coordinación. de. protecciones. del. sistema. de. subtransmisión a 69 kV de la Empresa Eléctrica Provincial Cotopaxi (ELEPCO S.A.) considerando su operación de red en anillo. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ·. Modelar la red de subtransmisión eléctrica a 69 kV de ELEPCO S.A. y los puntos de entrega del Sistema Nacional de Transmisión (SNT) en el programa computacional Power Factory..

(18) 2. ·. Actualizar y modelar la información proporcionada por ELEPCO S.A. sobre los sistemas de protección implementados a nivel de 69 kV.. ·. Evaluar índices de confiabilidad tanto para la topología actual (radial) como para la proyectada (configuración en anillo).. ·. Establecer. los. ajustes. adecuados. de. las. protecciones. de. sobrecorriente y recomendar la implementación de protecciones en otros puntos de la red de subtransmisión, para un funcionamiento adecuado bajo la operación de la red en anillo.. ALCANCE El presente trabajo de titulación define como alcance realizar un estudio de coordinación de protecciones del sistema de subtransmisión de ELEPCO S.A., debido al cambio topológico planificado por la empresa, de sistema radial a sistema en anillo, el cual involucra relés de sobrecorriente, direccional y bajo voltaje. Dicho trabajo es con el objeto de proponer el sistema de protecciones con el equipamiento y ajustes requeridos. La implementación de los ajustes presentados en este trabajo, queda a criterio de la empresa distribuidora ELEPCO S.A.. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO A nivel de subtransmisión, las líneas eléctricas de ELEPCO S.A. tienen implementadas protecciones de sobrecorriente direccional y no direccional para proteger sus equipos y circuitos. Estas protecciones han demostrado un funcionamiento correcto junto con una coordinación adecuada bajo la configuración radial en la que opera actualmente. Sin embargo, el cambio topológico que se dará a futuro a una configuración en anillo, exige un verdadero reto en cuanto a la coordinación de dichas protecciones de sobrecorriente y bajo voltaje. El presente trabajo de titulación pretende hacer frente al mencionado reto y, a través de un estudio de coordinación de protecciones, se determina los ajustes.

(19) 3. adecuados en las protecciones existentes y recomienda la implementación de protecciones en puntos estratégicos del sistema de subtransmisión de ELEPCO S.A. para que en conjunto funcionen correctamente..

(20) 4. MARCO TEÓRICO Este capítulo se enmarca en la revisión de los conceptos, definiciones y criterios técnicos científicos, necesarios para establecer el sistema de protecciones adecuado,. además. permite. conocer. los. diferentes. tipos. y. modos. de. funcionamiento de los elementos que conforman estos sistemas, con el objeto de garantizar una eficiente operación que vaya acorde a las exigencias que demanda el sistema eléctrico a protegerse. También se requiere analizar algunas propiedades básicas que deben cumplir estrictamente los sistemas de protecciones para su funcionamiento. También, se describe brevemente sobre los dispositivos de protección más utilizados en los equipos de subtransmisión, para minimizar los daños provocados por las fallas, detallando sus características más importantes. Así como también se especifica una introducción a la coordinación de protecciones para cada uno de estos equipos. Al finalizar este capítulo se revisa la teoría de ajuste y coordinación de protecciones de los equipos que conforman el sistema de subtransmisión, con el fin de cumplir con las propiedades básicas de: selectividad, sensibilidad, rapidez y confiabilidad.. FILOSOFÍA DE PROTECCIONES El objetivo principal de un sistema de protecciones es proteger tanto al personal que opera los equipos del sistema, como a los equipos que conforman el sistema eléctrico, mitigando los efectos de eventos o perturbaciones que pudieran ocurrir en la operación o maniobra de dichos equipos [1]. Para cumplir con este objetivo, la filosofía de protecciones indica que todo el sistema eléctrico debe estar cubierto totalmente por los sistemas de protecciones,.

(21) 5. es decir que no deben existir zonas sin protección o zonas muertas [2]. Detalle en la Figura 2.1.. Figura 2.1: Zonas muertas en los sistemas de potencia [3].. COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIONES En el caso más general un sistema de protecciones está compuesto por los siguientes elementos [4], [2]: ·. Transformador de medida (transductor).. ·. Relé de protección.. ·. Interruptor o disyuntor.. ·. Batería.. PRINCIPIO DE PROTECCIONES. OPERACIÓN. DE. LOS. SISTEMAS. DE. El principio de operación de los sistemas de protección se basa en que siempre debe existir más de un equipo de protección (protección de respaldo), dado el caso que el equipo de protección principal falle (protección primaria). Para determinar si los equipos de protección actúan de manera principal, o de manera secundaria es necesario delimitar las zonas de operación de dichos equipos, de tal manera que, si un equipo de protección actúa habiéndose ocurrido una falla fuera de su zona de protección primaria, este equipo actuó como protección de respaldo. El detalle gráfico de estas operaciones se da en la Figura 2.2 [1]..

(22) 6. 2.3.1 PROTECCIÓN PRIMARIA La protección primaria es la primera línea de defensa que tienen los equipos del sistema ante cualquier perturbación o falla. Las zonas de protección primaria se caracterizan por: ·. Están delimitadas por la ubicación de transformadores de medida o disyuntores [1].. ·. Cada elemento del sistema eléctrico cuenta con su propia zona de protección [1].. Existe una pequeña zona resultante de la superposición de zonas de protección adyacentes, cuya probabilidad de presencia de fallas es bastante pequeña [1]. En la Figura 2.2 se aprecia un sistema eléctrico delimitado por las zonas de protección primaria.. Figura 2.2: Sistema eléctrico delimitado por zonas de protección primaria [1].. 2.3.2 PROTECCIÓN SECUNDARIA La protección secundaria actúa en el caso de que la protección principal o primaria falle, y también se dirige a través de las zonas de protección, las cuales pueden ser: Zona de protección de respaldo local: Instalada en la misma posición (zona) de la protección primaria..

(23) 7. Zona de protección de respaldo remota: Instalada en la subestación adyacente a la zona de protección primaria. Las zonas de protección secundaria o de respaldo se caracterizan por ser: ·. Mucho más amplias que las zonas de protección primarias y se extienden en una dirección dada [2].. ·. La protección primaria y la protección de respaldo tienen elementos constitutivos diferentes [2].. ·. El único elemento que tienen en común las protecciones primarias y de respaldo es el disyuntor [2].. En la Figura 2.3 se aprecia un sistema eléctrico delimitado por las zonas de protección de respaldo.. Figura 2.3: Sistema eléctrico delimitado por zonas de protección de respaldo [3].. La protección de respaldo local facilita el mantenimiento de los sistemas de protección, sin embargo, ante su operación se desconectan un número de elementos mayor al número de elementos necesario para despejar una falla [1]. Cabe mencionar que un sistema de protecciones que opera como protección primaria para algunas fallas puede actuar como protección de respaldo para otro tipo de fallas, a este evento se lo llama ventaja incidental o accidental [2]. Para que un sistema de protecciones trabaje adecuadamente, es necesario que la protección primaria y la protección de respaldo actúen de manera instantánea y temporizada, respectivamente, a pesar de que ambas protecciones arrancan al mismo instante ante la detección de una falla, su operación es a diferente tiempo.

(24) 8. en función de lo programado. En el caso de que cualquier elemento de protección opere y despeje la falla, todos los demás elementos se resetean, sin dar lugar a operaciones incorrectas de los elementos de protección que no entraron en funcionamiento.. PROPIEDADES DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIONES Todo sistema de protecciones debe cumplir con cuatro criterios para ser considerado como un sistema eficiente y seguro de protecciones. Dichos criterios son: 2.4.1 SENSITIVIDAD El sistema de protecciones debe ser lo suficientemente sensible como para operar de manera confiable, tomando en cuenta las condiciones que provocan la menor tendencia a la operación de los equipos [5]. 2.4.2 SELECTIVIDAD En el diseño de un sistema de protecciones, se debe tener presente la secuencia de operación de los relés, de tal manera que si ocurre una falla en algún elemento, sea la protección prevista para este elemento la que actúe (protección primaria), y no la protección de otros elementos (protección secundaria). Esto significa que la selectividad define que, el sistema de protecciones debe desconectar como primera prioridad únicamente el elemento en falla, pero si esto no ocurre debe en lo posible desconectar el menor número de equipos para despejar la falla [5]. 2.4.3 RAPIDEZ Los sistemas de protecciones deben despejar la falla lo más rápido posible a través de la desconexión del elemento bajo falla [5]. 2.4.4 CONFIABILIDAD Tiene que ver con la forma correcta de implementación, aplicación y mantenimiento de los sistemas de protecciones, ya que la no operación continua.

(25) 9. de los equipos de protecciones da lugar a óxido en sus contactos de salida, pudiendo obstruir la manera adecuada de funcionamiento de los mismos [5]. Si los sistemas de protecciones cumplen con estas cuatro propiedades básicas, permiten mitigar los efectos de las fallas que ocurren en el sistema eléctrico, los cuales son: riesgo al personal, riesgo a los equipos que consecuentemente ponen en riesgo al sistema; como también se está reduciendo el costo de reemplazar un equipo, reducir la carga desconectada y el tiempo que algunos equipos estén fuera de servicio [4].. DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN Los dispositivos básicos que intervienen en un sistema de protecciones se analiza en dos grupos; los primeros de ellos serán los dispositivos sensores, los cuales son transformadores de corriente y voltaje. 2.5.1 TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Los transformadores de corriente (TCs) como su nombre lo indica son dispositivos que transforman la corriente de su valor original, a un valor con el cual otros dispositivos puedan tolerar y operar, por lo general ese valor es bastante menor al original.. Figura 2.4: Diagrama circuital de un transformador de corriente [4]..

(26) 10. El objetivo principal de un transformador de corriente es tener una reproducción fiel de la onda de corriente original tanto en magnitud como en ángulo, sin embargo, no es posible obtener una reproducción 100% igual a la onda original, ya que se necesita un pequeño valor de corriente para magnetizar el núcleo del transformador, además de las corrientes correspondientes a las pérdidas del mismo [6]. Los transformadores de corriente utilizados para protección son diseñados de tal manera que soporten grandes corrientes y no entre en zona de saturación, y al estar conectados a una impedancia fija, se espera que trabajen con grandes voltajes [5].. Figura 2.5: Curva característica de voltaje (E) - corriente (I) del TC [3].. 2.5.2 TRANSFORMADORES DE VOLTAJE La función principal de los transformadores de voltaje es aislar el alto voltaje a los circuitos secundarios como son: equipos de medida, de protección y de control; con el mismo criterio de los transformadores de corriente, su misión es la de reproducir fielmente las ondas de voltaje del primario a secundario para su posterior procesamiento [5]. Los transformadores de voltaje pueden ser: ·. Divisores de voltaje resistivos mixtos (arreglo de resistencias, capacitores e inductores).. ·. Transformadores de potencial.. ·. Divisores capacitivos de potencial..

(27) 11. 2.5.2.1 Transformadores de Potencial Los transformadores de potencial (TPs) son muy parecidos a los transformadores de distribución, la diferencia radica en que en su núcleo los transformadores trifásicos se componen de cinco columnas, con la finalidad de permitir el paso del flujo magnético originado por la secuencia cero [5]. La Figura 2.6 ilustra los componentes de un transformador de potencial.. Figura 2.6: Diagrama de un transformador de potencial [2].. 2.5.2.2 Divisores Capacitivos de Potencial Consisten básicamente en un arreglo de capacitores en serie conectados desde la línea a tierra, donde el voltaje del secundario se toma del último condensador conectado; en la Figura 2.7 se detalla el diagrama circuital de un TP de estas características..

(28) 12. Figura 2.7: Diagrama circuital de un divisor capacitivo de potencial [5].. 2.5.3 RELÉS DE PROTECCIÓN Los relés de protección operan ante la detección de algún cambio en las señales eléctricas que supervisan, las cuales pueden ser: magnitud de voltaje, corriente, frecuencia, angular, etc. [1]. Como también proporcionan datos o información importante sobre la falla, los cuales servirán para un posterior análisis con el fin de dar con el origen y afectación de la falla [1]. 2.5.3.1 Tipos de Relés Según su tecnología se clasifican en [1]: ·. Relé Electromecánico.. ·. Relé Estático o de Estado Sólido.. ·. Relé Digital.. ·. Relé Numérico.. Entre los relés electromecánicos tenemos el relé tipo solenoide y de inducción..

(29) 13. Relé electromecánico tipo solenoide El relé electromecánico está formado por un solenoide, un émbolo y los contactos eléctricos. Al circular una corriente por la bobina cuyo valor es mayor a una corriente umbral o de referencia (!"), la fuerza magnetomotriz mueve al émbolo cerrando los contactos haciendo que el relé empiece a operar [4]. Relé electromecánico de inducción El relé de inducción está formado por un disco que gira debido a la presencia de un campo magnético variable en el tiempo. Al existir un campo magnético variable en el tiempo se genera un torque, el cual es capaz de hacer girar el disco hasta que los contactos móviles conecten con los contactos de referencia [4]. Para calibrar el tiempo de respuesta es necesario mover el dial del tiempo, cuya función es alejar o acercar los contactos móviles al de referencia, logrando variar el tiempo en el que el disco alcanza la posición de los contactos de referencia. Relés Estáticos o de Estado Sólido Este tipo de relés aparecen por primera vez a inicios de los años 50, y se caracterizan por basarse en electrónica de potencia, al no poseer elementos móviles sus tiempos de reseteo son prácticamente nulos, además de que no existen deterioro de contactos de salida al momento de la operación del relé. Este tipo de relés poseen todas las características favorables de los relés electromecánicos, y además permiten tiempos de coordinación adecuados, una de las principales desventajas es que son muy sensibles ante las variaciones bruscas de temperatura. Relés Digitales Son muy parecidos a los relés de estado sólido, pero en este caso ya se cuenta con una conversión análoga digital. Relés Numéricos Son relés que funcionan en base a algoritmos, y a su vez se puede programar en ellos un conjunto de funciones, es decir que este relé representa un conjunto de.

(30) 14. relés electromecánicos. Su principal ventaja es que cuenta con un registrador de eventos, sin embargo su programación es laboriosa. ·. Relés de Protección. Un relevador de protección es un dispositivo que sensa cualquier cambio en la señal que está recibiendo, usualmente desde una fuente de corriente o de voltaje. Si la magnitud de la señal de entrada está fuera de un rango pre-ajustado, el relevador opera, para cerrar o abrir contactos eléctricos e iniciar alguna operación [1]. Finalmente en la Tabla 2.1, se clasifican los relés de acuerdo al tipo de protección que brinda: Tabla 2.1: Clasificación de los relés acuerdo al tipo de protección que brindan [1]. Relés Relés de sobrecorriente instantáneo Relés de sobrecorriente de tiempo inverso Relés de bajo voltaje Relés de sobrecorriente direccional. Código 50 51 27 67. 2.5.4 RELÉS DE PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE Funcionan como protección principal o primaria para alimentadores o líneas de transmisión; como protección de respaldo para transformadores, barras, líneas y generadores. Para definir el funcionamiento de un relé de protección de sobrecorriente, primero se define lo que es una sobrecorriente. Se entiende por sobrecorriente a cualquier corriente eléctrica en exceso del valor nominal indicado en el dispositivo de protección, en el equipo eléctrico o en la capacidad de conducción de corriente de un conductor [5]. La sobrecorriente puede ser causada por una sobrecarga, un cortocircuito o una falla a tierra. 2.5.4.1 Principio de funcionamiento de los relés de protección de sobrecorriente Básicamente el relé compara la corriente que proviene de los TCs con la corriente de arranque del relé (corriente de pick up). Para el ajuste de la protección de.

(31) 15. sobrecorriente se requiere la corriente de arranque, la posición del dial y el tipo de curva característica de cada relé [2]. 2.5.4.2 Características de Operación De acuerdo a las características de operación, los relés de sobrecorriente pueden clasificarse mediante el siguiente esquema [3]:. Instantánea Característica del. Tiempo definido. Inverso. Tiempo Inverso. Muy Inverso. Relé Temporizada. Extremadamente Inverso. Figura 2.8: Tipos de relés según sus características de operación [Elaboración propia]. La Figura 2.8., resume las características de operación de los relés de sobrecorriente, esto para los direccionales y no direccionales. 2.5.4.3 Protección de Sobrecorriente Instantánea Este tipo de relés no son muy utilizados como unidades solitarias, generalmente operan en combinación con otros tipos de relés para permitir una operación coordinada de protecciones. En la característica instantánea el sistema de protecciones generalmente opera como límite máximo dentro de los 100 milisegundos, dado que es la suma de los tiempos de operación del relé, el sistema de control y el disyuntor. En la Tabla 2.2 se presenta los tiempos de operación para cada uno de los elementos que conforma el sistema de protecciones [2]..

(32) 16. Tabla 2.2: Tiempos de operación de los elementos del sistema [2]. Elemento Relé. Tiempo de operación (ms) 17. Sistema de control. 20. Disyuntor. 50. Total. 87. 2.5.4.4 Protección de Sobrecorriente de Tiempo Inverso Son aquellas protecciones que tienen por función la medición permanente de la intensidad de corriente de un circuito en particular, a fin de compararlo con los valores de ajustes predefinidos y establecer si existe una condición de elevados niveles de intensidad de corriente o falla. La principal ventaja de este tipo de relé es que la velocidad de respuesta del relé de sobrecorriente aumenta conforme aumenta la corriente, es decir que mientras mayor sea la corriente aplicada, menor es su tiempo de operación. Cabe recalcar que, el relé no opera mientras la corriente no sea mayor a una corriente de arranque (pick up). Tomando en cuenta que, para la coordinación de protecciones se debe ajustar tanto la corriente umbral (variando el tap), como el tiempo de respuesta del relé (variando el dial), se obtiene la siguiente familia de curvas para el relé de sobrecorriente de tiempo inverso, detalle en la Figura 2.9. En la práctica, las curvas características de este tipo de relés se grafica el tiempo en función del número de veces la corriente mínima de operación (corriente de pickup), en lugar de la corriente en amperios..

(33) 17. Figura 2.9: Familia curvas de tiempo inverso [Elaboración propia].. En el ajuste del relé de sobrecorriente, es necesario definir el tipo de curva que se va a utilizar. Para este estudio se utiliza la curva de tiempo inverso, donde el tiempo de operación está dado por una función exponencial:. Según la norma IEC t:. ( # = $%& ' . ! , )! + - 1. 255-31,. *. establece los ajustes para el relé:. Tiempo de actuación.. TMS: Dial de tiempo. K: !:. 1. Constante de ajuste. Corriente que mide el relé durante la falla.. Norma Internacional IEC 255-3 segunda edición 1989-05. ( 2.1).

(34) 18. !* :. α:. Corriente de pick-up o también llamada corriente de arranque. Parámetro definido de acuerdo a la curva característica.. Se define las constantes de ajuste para cada una de las curvas; α, K y C, estos valores son estandarizados por las normas, donde se establece el valor de acuerdo a la norma y tipo de curva aplicada, como se detalla en la Tabla 2.3. Tabla 2.3: Constantes de ajuste del relé de sobrecorriente [3]. IEC CARACTERÍSTICA Tiempo definido Normal inverso Muy inverso Extremadamente inverso Inverso de tiempo largo. α 0.02 1 2 1. K 0 0.14 13.5 80 120. C 1 0 0 0 0. α 2.0938 2 2 2. ANSI/IEEE K 8.9341 3.922 5.64 5.6143. C 0.1796 0.0982 0.02434 2.18592. 2.5.5 RELÉS DE PROTECCIÓN DE SOBRECORRIENTE DIRECCIONAL Son relés que supervisan el sistema eléctrico de potencia en una sola dirección, para los casos en los que se tengan líneas múltiples y la energía pueda fluir en ambos sentidos [2]. Dado que en un sistema de corriente alterna, el sentido de la corriente es relativo, sólo se puede conocer dicha dirección de corriente comparándola con otra variable de referencia, tal es el caso en los sistemas de tipo mallado o en anillo, donde existen varias fuentes de alimentación lo que da lugar a que existan corrientes bidireccionales, por lo que resulta complicado separar a las corrientes que se dirigen hacia la falla de las corrientes que fluyen normalmente por el sistema, consecuentemente el sistema de protecciones desconectaría esa parte del circuito y con ello no cumple la propiedad básica de selectividad. La solución a este problema es utilizar la dirección que tiene el flujo de la potencia activa (P), de esa manera un sistema de protecciones basado en la medida de la potencia activa operará solamente para una determinada dirección y evita la operación del equipo cuando la corriente fluya en la dirección opuesta..

(35) 19. Para los relés de sobrecorriente direccional se escoge un elemento o una señal de referencia que proporcione direccionalidad, por lo general la señal de referencia suele ser el fasor de voltaje de diferente fase [3]. Detalle en la Figura 2.10. Barra infinita. Relé de sobrecorriente Relé de sobrecorriente direccional. Figura 2.10: Aplicación de la protección de sobrecorriente direccional en un sistema de varias fuentes de alimentación [Elaboración propia].. OPERACIÓN COORDINADA DE PROTECCIONES Una vez conocidas las características y los principios de funcionamiento de los tipos de relés mencionados anteriormente, se combina entre ellos con el objeto de obtener un sistema de protecciones que cumpla con las cuatro propiedades y sea considerado como un sistema adecuado de protecciones [7]. 2.6.1 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES SOBRECORRIENTE DE TIEMPO DEFINIDO. CON. RELÉS. DE. Definido la característica de operación en los relés y teniendo claro las zonas de protección ya sea instantánea y temporizada, se grafica la curva característica de la coordinación de protecciones del sistema propuesto; en la Figura 2.11, se observa este detalle utilizando relés de tiempo definido [7]. En el caso de que la falla ocurriese en el lugar que indica la Figura 2.11, zona 4F, la protección encargada de desconectar el sistema en primera instancia sería el disyuntor asociado al relé 4, y lo haría a los 50ms; para la protección secundaria.

(36) 20. se tienen los interruptores asociados a los relés del 1 al 3 con tiempos de operación bastante apropiados [7]. Sin embargo la desventaja principal que ofrece este sistema es el tiempo excesivamente largo que debe pasar para que el interruptor asociado al relé 1 despeje una falla en su zona de protección primaria en el caso de que la falla sea en la zona 1-2 con un tiempo de 2 segundos, para dicho tiempo todos los equipos en falla serían totalmente destruidos [7].. Figura 2.11: Coordinación de protecciones con relés de tiempo definido [3].. 2.6.2 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES SOBRECORRIENTE DE TIEMPO INVERSO. CON. RELÉS. DE. De la misma manera, debido a la característica de los relés y teniendo claro las zonas de protección a las que se limita cada relé, se procede a graficar la curva característica de coordinación de protecciones del sistema propuesto, en la Figura 2.12, se detalla la coordinación de protecciones con relés de tiempo inverso.. Figura 2.12: Coordinación de protecciones con relés de tiempo inverso [3]..

(37) 21. En el caso de que la falla ocurriese en el lugar que indica la Figura zona 4-F, la protección encargada de desconectar el sistema en primera instancia sería el disyuntor asociado al relé 4, y lo haría en poco menos de 50ms, para protección secundaria se tienen los interruptores asociados a los relés del 1 al 3 con tiempos de operación bastante apropiados. De igual manera se analiza que sucedería si la falla ocurriese en la zona 1-2; el tiempo que debe pasar para que la protección primaria de dicha zona opere es de 1 segundo, tiempo que tampoco es aceptable dado que los equipos que son sometidos a corrientes de falla durante este tiempo son destruidos o se acorta su vida útil, como en el caso anterior [7]. 2.6.3 COORDINACIÓN DE PROTECCIONES CON RELÉS SOBRECORRIENTE DE TIEMPO INVERSO E INSTANTÁNEA. DE. Para evitar el problema del tiempo excesivo que debe pasar para que la protección primaria opere y desconecte la falla, se agrega un relé cuya característica sea de tiempo instantáneo combinado con tiempo inverso, de tal manera que se cubra un porcentaje de cada tramo con la característica instantánea y el resto con la característica de tiempo inverso, resultando una adecuada coordinación de protecciones [7].. Figura 2.13: Coordinación de protecciones con relés de tiempo inverso e instantánea [3].. Esta curva puede ser mejorada utilizando diferentes tipos de relés cuyas características temporizadas varíen entre inversa, muy inversa y extremadamente inversa dependiendo del caso en estudio..

(38) 22. PROTECCIONES DE SUBTRANSMISIÓN. ELEMENTOS. DEL. SISTEMA. DE. El sistema de subtransmisión en termino general cumple con el objeto para el cual fue establecido, transportar el flujo de potencia desde los puntos de interconexión del sistema de transmisión hacia las subestaciones de distribución, estas últimas se encuentran generalmente instaladas en los sitios cercanos a los centros de carga; para cumplir con este fin, el sistema de subtransmisión consta de los siguientes elementos: barras, líneas de subtransmisión y transformadores [8]. Para estos equipos que componen el sistema de subtransmisión, se analiza la operación y protección ante condiciones normales y cualquier eventualidad producida, respectivamente. La protección toma en cuenta condiciones externas e internas al equipo [8]. 2.7.1 PROTECCIÓN DEL TRANSFORMADOR Cuando se da una falla en el transformador, los daños ocasionados en el equipo son generalmente severos; añadido a esto, el peso y tamaño del mismo generan conflictos al momento de manipular para alguna reparación, fruto de esto genera altos tiempos de reparación y grandes costos. Es por ello que el transformador al ser un elemento primordial en el funcionamiento del sistema de subtransmisión, la elección de las funciones de protección deben ser las más apropiadas, condicionados por varios aspectos como son: técnico, económico, de confiabilidad, tamaño e importancia dentro del sistema. 2.7.1.1 Tipos de Fallas en un Transformador Los elementos estáticos que componen el transformador como devanados y núcleo, están sometidos a diferentes condiciones anormales durante el funcionamiento del mismo [8], a continuación, se detallan algunos de ellos: ·. Vibración.. ·. Contracción y expansión producto del ciclo térmico..

(39) 23. ·. Calentamiento en los arrollamientos y núcleo debido al flujo magnético.. ·. Sobrecalentamiento debido a sobrecargas o mala refrigeración.. Estas condiciones anormales pueden causar daños en cualquier elemento componente del transformador; esto visto desde una forma general ya sea eléctrica o mecánica. Las causas iniciales que conllevan a fallas en estos equipos se los pueden clasificar de acuerdo a la Tabla 2.4. En la operación general, un transformador contiene protección mecánica que es adicional a las protecciones eléctricas y se dan básicamente para activar equipos que disipen el calor generado por la operación del mismo, pero si es demasiado y no logra enfriar el equipo puede incluso desconectar el mismo [8]. Tabla 2.4: Tipos de falla en transformadores [8]. Ubicación de fallas Devanados Terminales y cambiador Bushings Cambiador bajo carga Otras. Efectos Defectos de fábrica Calentamiento Stress eléctrico y mecánico vibraciones etc. Montaje incorrecto Inadecuado transporte del equipo vibraciones severas. Contaminación Daño de personas inescrupulosas. Mala operación Mala unión entre contactos Contaminación Fallas de aislamiento. Las protecciones eléctricas utilizadas en transformadores de potencia son: diferencial, sobrecorriente, sobrecorriente direccional y de bajo voltaje; por lo cual se realiza un análisis detallado para este tipo de protecciones eléctricas [5]. 2.7.1.2 Curvas de Daño de los Transformadores. Un aspecto importante a tomar en cuenta en el ajuste de las protecciones de sobrecorriente en transformadores, es determinar las curvas limitantes de operación, ya que de sobrepasar estas curvas las corrientes de falla, serán de.

(40) 24. afectación directa a la vida útil del equipo, dicha curva se denomina curva térmica de tiempo corto y deben ser necesariamente coordinadas con la curva de daño de los transformadores, esta última sirve de guía para el ajuste de la curva de sobrecorriente del relé, y debe estar ubicada estrictamente hacia el lado izquierdo e inferior de la curva de daño de transformadores, con ello asegura que las corrientes de falla no lleguen al límite de daño [9]. En la Figura 2.14, se describe las dos zonas de operación en la curva de daño de los transformadores. La curva en color negro está dado por esfuerzos térmicos y la parte roja es debida a esfuerzos mecánicos.. Figura 2.14: Curva de daño más común en transformadores de potencia [9].. La curva de daños por esfuerzos térmicos y mecánicos, refiere a la capacidad de soportar esfuerzos térmicos y mecánicos debido a corrientes de cortocircuito generadas en los terminales del transformador, estas se dividen en cuatro categorías las cuales son determinadas en función de la potencia del transformador, voltaje nominal y conexión del mismo, Figura 2.15, [10], las categorías de las curvas se detalla en la Tabla 2.6, de este apartado..

(41) 25. Figura 2.15: Configuración de la curva ANSI, en el PowerFactory [Captura de pantalla].. El desplazamiento o factor ANSI (ver Tabla 2.5), hace que la curva se mueva horizontalmente hacia la izquierda con un factor “D”, (ver Figura 2.16), con esto asegura que cuando exista una corriente falla, no sobrepase estas corrientes que pueden causar daños en el desempeño del equipo [9].. Figura 2.16: Curva de daño desplazado en transformadores de potencia [7]..

(42) 26. Donde: D = Factor de multiplicación ANSI, depende de la conexión del transformador, detalle en la Tabla 2.52. En la Figura 2.15, se muestra el ingreso de los datos del transformador en el PowerFactory y en función de ello escoge una curva de un conjunto de curvas preestablecidas, la cual está en función de las características del transformador. Estas categorías están dadas en función de la potencia nominal, esto se detalla en la Tabla 2.6. Tabla 2.5: Factor de multiplicación para curvas de daño de transformadores [3]. Conexión del transformador. Factor ANSI. Delta-Delta Delta-Estrella aterrizada Delta-Estrella Estrella aterrizada-Estrella Estrella aterrizada-Estrella aterrizada Estrella-Estrella aterrizada (Tipo Núcleo) Estrella-Estrella (Tipo Acorazado) Estrella-Estrella Estrella aterrizada-Delta Estrella-Delta. 0.87 0.58 1 1 1 0.67 1 1 1 1. Tabla 2.6: Tipos de curva en función de la potencia nominal del transformador [11].. S (MVA). Tipos de curva. 1F (0.005-0.5) Daño térmico 3F (0.15-0.5) Daño térmico 1F (0.501-1.667) Daño térmico y mecánico CATEGORÍA II 3F (0.501-5) Daño térmico y mecánico 1F (1.668-10) Daño térmico y mecánico CATEGORÍA III 3F (5.01-30) Daño térmico y mecánico 1F (>10) Daño térmico y mecánico CATEGORÍA IV 3F (>30) Daño térmico y mecánico NOTA: 1F = Transformador Monofásico y 3F = Trifásico CATEGORÍA I. 2. IEEE transacción y aplicación en la Industria, VOL.1A-22-estandarización y codificación para protección de dispositivos con curvas de tiempo - corriente..

(43) 27. 2.7.1.3 Protección Eléctrica del Transformador Protección de sobrecorriente instantánea 50 La utilización de estas protecciones en transformadores no es muy recomendada, dado que al ajustar estas unidades de protección puede presentar operaciones incorrectas debido a las corrientes de energización o por fallas a distintos niveles de voltaje [8]. Este tipo de protecciones son más eficientes en donde las impedancias de los elementos protegidos del sistema son comparables con la de la fuente. Ilustración en la Figura 2.17.. 50 de R1 51 de R2. Figura 2.17: Operación de las unidades instantáneas antes de los cruces temporizados [11].. Protección de sobrecorriente temporizada 51/51N Las fallas externas producen corrientes muy dañinas debido a su gran intensidad, provocando un deterioro considerable de la vida útil del equipo, y en el peor de los casos produce un daño severo o total de transformador. La Figura 2.18, muestra la conexión del relé de sobrecorriente temporizado en el transformador cuando está conectado en configuración estrella [2]. Las protecciones de sobrecorriente en transformadores se utilizan como una línea de respaldo ante la protección diferencial. El ajuste de estos equipos de protección se lo realiza con las características temporizadas (51/51N)..

(44) 28. Figura 2.18: Protecciones de sobrecorriente en transformadores [3].. 2.7.2 PROTECCIÓN DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN Las líneas de transmisión son los elementos encargados de transportar el flujo de potencia desde un punto a otro, por lo tanto, son los equipos del sistema eléctrico que tienen mayor longitud, debido a esto, la naturaleza de operación e instalación presenta mayor dificultad en la supervisión [10]. Un sistema de protecciones para líneas de transmisión debe tener la suficiente capacidad de despejar todo tipo de fallas y actuar con la suficiente velocidad y precisión, con el objeto de comprometer la mínima área de servicio posible [5]. Las principales protecciones recomendadas para proteger las líneas de transmisión se detallan en la Tabla 2.7. Tabla 2.7: Protecciones para proteger las líneas de transmisión [10]. Tipo de protección Sobrecorriente direccional Sobrecorriente instantánea Sobrecorriente temporizada Diferencial de línea Bajo voltaje. Código 67 50 51 87 27.

(45) 29. 2.7.2.1 Protección de Sobrecorriente Los relés de sobrecorriente es la manera más simple y económica de proteger una línea de transmisión; aunque presenta una desventaja; la cual se da por la topología de la red eléctrica, cuando esta cambia los ajustes de la protección también requieren un cambio, para estar acorde al sistema [13]. El tipo de protecciones más comunes que se aplican en líneas de transmisión son: ·. Instantáneo.. ·. Temporizado.. ·. Direccional (instantáneo/temporizado).. El empleo de esta protección se ve restringido y se lo hace únicamente cuando la corriente de falla es mayor a la de carga, dado que no realiza una discriminación de estas corrientes [13]. 2.7.2.2 Protección de Sobrecorriente Direccional 67/67N La protección direccional de sobrecorriente es similar a un relé 50 o 51; con la diferencia que protege en una sola dirección; al agregar alguna referencia, le permite operar bajo el criterio de dirección, dicha referencia puede ser un fasor de voltaje o de corriente; el cual ingresa como variable de entrada para el relé [13]. Este tipo de equipos de protección son esenciales y útiles en sistema eléctricos mallados o en anillo. 2.7.2.3 Protección de Bajo Voltaje Esta condición de operación anormal se produce cuando el voltaje en los terminales de la línea de subtransmisión desciende a un valor o rango de variación establecido. Esta condición anormal afecta directamente a los equipos o cargas que están conectados o dependen directamente del voltaje en la barra de carga [12]..

(46) 30. En base a los lineamientos que establecen las normas establecidas por el ARCONEL para sistemas de subtransmisión, proponen que el sistema debe operar en un rango de ±5% del voltaje nominal en forma continua3. Este tipo de protección utiliza un relé de tiempo inverso el cual mide las variaciones de voltaje, la medición lo realiza para cada una de las fases del equipo, ya sea fase – fase o condición fase - tierra [12]. Para la instalación de este tipo de protecciones se requiere de TPs, los cuales alimentan al relé desde su secundario, tomando como base la señal de voltaje desde el punto de conexión en la línea. En la Figura 2.19, se describe el esquema de instalación de estos equipos.. Generador. TP Transformador Rfalla 27. Figura 2.19: Protección de bajo voltaje (27) [2].. AJUSTE DE LAS FUNCIONES DE PROTECCIÓN La presente sección analiza la teoría de ajuste para cada una de las funciones del sistema de protecciones analizado en el subcapítulo 2.7, para los equipos componentes del sistema de subtransmisión; con el fin de obtener los parámetros necesarios para la modelación de relés y realizar el estudio de cortocircuitos y su respectiva coordinación de protecciones [2].. 3. Regulación 004/01 emitida por el ARCONEL.

(47) 31. 2.8.1 AJUSTES REQUERIDOS PARA TCs Y TPs. 2.8.1.1 Relación de Transformación Denominado. RTC,. para. transformadores. de. corriente. y. RTP,. para. transformadores de potencial, es calculado por la relación de magnitudes, sea de corriente o voltaje [6], su Ecuación viene dada por: /$0 =. /$? =. !23456347 !89:;<>6347. ( 2.2). @23456347 @89:;<>6347. ( 2.3). Los valores estándar de RTC están relacionados con los equipos disponibles en el mercado [6], estos valores se detallan en la Tabla 2.8. Tabla 2.8: RTC Normalizados en el mercado [14]. Relaciones de transformación (RTC) 5:5 150:5 1500:5 50:5 10:5 200:5 1600:5 75:5 100:5 15:5 250:5 2000:5 20:5 300:5 3000:5 800:5 25:5 400:5 4000:5 1000:5 30:5 500:5 5000:5 1200:5 40:5 600:5 6000:5 8000:5. 2.8.1.2 Clase precisión La clase de precisión se expresa como el error máximo admisible en tanto por ciento o un porcentaje de alguna variable; estos errores dependen de la función del equipo, si es un equipo de medición su error será menor que uno de protección, es decir difieren en la sensibilidad [6]. Los rangos para la clase de precisión se muestran en la Tabla 2.9. Tabla 2.9: Clases de precisión dependiendo de la función del equipo [14]. Función del equipo Medida Protección. Clase de precisión (Rango) 0.1-0.2-0.5-1-3 5P-10P-20P.