Protección de Sistemas Eléctricos

Protección de Sistemas

Eléctricos

Protección de Sistemas Eléctricos

Samuel Ramírez Castaño

Profesor Asociado

Primera Edición.

Universidad Nacional de Colombia

Manizales

Protección de Sistemas Eléctricos

Agradecimientos

Al estudiante

Edwin Alejandro Becerra Hernández quien realizó el trabajo de

levantamiento del texto, la elaboración de tablas y gráficas en

medio magnético, página web y diseño de carátula del libro, para

obtener una edición final de excelente presentación. También

colaboró el estudiante Arley Marino Contento Castaño.

A Luz Mary, Valentina y Geraldine por su paciencia y comprensión.

Protección de Sistemas Eléctricos

Introducción

Un sistema de suministro y transporte de Energía Eléctrica debe cumplir con

varios requisitos indispensables para prestar un servicio con niveles altos de

calidad y seguridad. Esto en parte se cumple mediante la aplicación de

normas y procedimientos muy precisos durante las etapas de planeamiento,

diseño, construcción y operación de los Sistemas de Potencia. Dichos

sistemas quedarán expuestos a fallas cuyas causas son múltiples, que además

de provocar daños severos son muchas veces impredecibles, por lo que es

necesario proporcionarle a dichos sistemas los esquemas de protección

debidamente calibrados con el fin de minimizar los efectos de las fallas, los

tiempos de interrupción y mejorar la continuidad del servicio a los

consumidores asi como disminuir el número de usuarios afectados.

Un sistema de protección bien diseñado y adecuadamente coordinado es vital

para asegurar que el sistema eléctrico de potencia opere dentro de los

requerimientos y parámetros previstos. Al brindarle seguridad a redes y

costosos equipos, también se está protegiendo una inversión de capital muy

grande y se protege también a las personas. La operación automática permite

aislar las fallas tan rápido como sea posible para minimizar los daños. Los

costos económicos y los beneficios de un sistema de protección deben ser

tenidos en cuenta con el fin de obtener un adecuado balance entre los

requerimientos del sistema y los recursos financieros disponibles.

Ante la ocurrencia de una falla o de una condición anormal, el sistema de

protección debe ser capaz de detectar el problema inmediatamente y aislar la

sección afectada, permitiendo así que el resto del Sistema de Potencia

Protección de Sistemas Eléctricos

permanezca en servicio y limitar la posibilidad de daño a los otros equipos.

La protección debe ser lo suficientemente sensible para que opere con

rapidez aun bajo fallas incipientes.

Esta obra presenta de manera didáctica y secuencial el contenido del curso

“Protección de Sistemas Eléctricos” para los estudiantes de Ingeniería

Eléctrica, pretende además que sirva de texto guía para dicho curso y texto

de consulta para los Ingenieros que trabajan en el área de protecciones.

El capítulo 1, muestra el cálculo de los diferentes tipos de fallos, aplicando

métodos tradicionales e incluye ejemplos ilustrativos. El capítulo 2,

presenta los conceptos generales y la filosofía de protección. En los

capítulos 3 y 5 se discuten las técnicas de los relevadores de protección y

los principios físicos y matemáticos que determinan los diferentes tipos de

relevadores así como las características de funcionamiento. Se habla

también de relevadores computarizados.

En el capítulo 4, se indican las características y diferentes tipos de

transformadores de Corriente y de Potencial, a través de los cuales se

alimentan los sistemas de control, medida y protección del Sistema de

Potencia.

En los capitulos 6, 7 y 8, se describen las condiciones que tipifican las fallas

y los sistemas de protección correspondientes aplicables a generadores,

transformadores y barras colectoras de una subestación dentro de las cuales

se destaca la Protección diferencial como la más empleada. Se incluyen

ejemplos de aplicación que ayudan a comprender la metodología empleada.

El capítulo 9, presenta una discusión sobre los diferentes tipos de falla

comunes en las líneas de transmisión y la utilización de la Protección de

sobrecorriente (incluyendo la direccional), se dedica especial atención a la

Protección de distancia ilustrada con varios ejemplos de aplicación y al

final, se ilustra sobre la aplicación de la Protección por hilo piloto y la

Protección mediante onda portadora.

Protección de Sistemas Eléctricos

En el capítulo 10 se hace una amplia discusión sobre las Protecciones de

Sistemas de Distribución donde se destaca la aplicación de los diferentes

tipos de fusibles. También se describen los interruptores, los restauradores y

los seccionalizadores. Se continúa en el capítulo11 con las metodologías para

establecer la coordinación adecuada de las protecciones en serie.

Por último el capítulo 12, trata sobre la protección de las redes de

distribución contra sobrevoltajes y presenta métodos para establecer la

coordinación de aislamiento de dichas redes.

Se ha colocado todo el empeño y dedicación para que esta Obra sea de gran

ayuda para el Estudiante en el curso de Protecciones, y para que corresponda

a los requerimientos del Programa Curricular de la carrera de Ingeniería

Eléctrica.

Protección de Sistemas Eléctricos VIII

Contenido

I NT RO DU CC IÓ N IV

1 Cálculo de fallos 1

1.1 INTRODUCCIÓN 1

1.2 DEDUCCIÓN MATEMÁTICA DE LAS CORRIENTES DE FALLA 1

1.3 MÉTODOS PARA CALCULAR CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO 10

1.3.1 Descripción general del método de componentes simétricas 10

1.3.2 Impedancias de secuencia de los componentes de un sitema de potencia 14

1.3.2.1 Impedancia de transformadores 14

1.3.2.2 Impedancias de líneas de transmisión y distribución usadas en el cálculo

de fallos 17

1.3.2.2.1 Impedancias de los circuitos aéreos de distribución 18

1.3.2.2.2 Impedancias de los cables subterráneos 19

1.3.2.3 Impedancias de generadores 27

1.3.3 Construcción de los circuitos de secuencia 28

1.3.4 Cálculo de fallas asimétricas usando componentes simétricas 32

1.3.4.1 Fallas línea - tierra 32

1.3.4.2 Fallas línea - línea 35

1.3.4.3 Falla línea - línea - tierra 36

1.3.5 Impedancias fuente 37

Contenido

IX Protección de Sistemas Eléctricos

1.3.5.1 Método A 37

1.3.5.2 Método B 38

1.3.5.3 Método C 38

1.3.5.4 Método D 39

1.3.6 Impedancia de la falla 39

1.3.7 Impedancias equivalentes para un sistema de potencia 39

1.4 EL SISTEMA POR UNIDAD [P.U.] 40

1.5 PROCEDIMIENTO GENERAL PARA EL CÁLCULO DE FALLOS 46

1.6 SUMINISTRO DE SEÑALES A LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN 48

1.7 EJEMPLO DE CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS EN UN SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN 49

1.8 EJEMPLO DE CÁLCULO DE CORTOCIRCUITOS EN UN SISTEMA DE POTENCIA 58

2 Conceptos Generales 65

2.1 OBJETIVOS DE LAS PROTECCIONES 65

2.2 FUNCIÓN PRINCIPAL 66

2.3 TIPOS DE FALLAS 66

2.4 CONSECUENCIAS DE LAS FALLAS 66

2.5 CONSIDERACIONES BÁSICAS PARA UN SISTEMA DE PROTECCIÓN 67

2.5.1 Causas de las fallas 67

2.5.2 Clases de fallas 67

2.5.3 Funciones de un sistema de protección 68

2.5.4 Principios generales 68

2.6 TIEMPOS DE ELIMINACIÓN DE FALLAS 68

2.7 FILOSOFÍA DEL DESPEJE DE FALLAS 69

2.7.1 Disparo Indeseado 69

2.7.2 Omisión de disparo durante cortocircuito 69

2.7.3 Operación incorrecta 69

Zf

Protección de Sistemas Eléctricos X

2.7.4 Confiabilidad, fiabilidad y seguridad 69

2.7.5 Diseños de sistemas de potencia desde el punto de vista de confiabilidad 70

2.7.6 Respaldo remoto 70

2.7.7 Respaldo local 71

2.7.8 Respaldo local del interruptor 71

2.8 PROTECCIÓN PRIMARIA, PROTECCIÓN DE RESPALDO Y PROTECCIÓN DIRECCIONAL 73

2.8.1 Protección primaria 73

2.8.2 Protección de respaldo 74

2.8.3 Protección direccional 74

2.9 SISTEMAS DE PROTECCIÓN 74

2.9.1 Protección absolutamente selectiva (protección por unidad) 74

2.9.2 Protección relativamente selectiva (protección escalonada) 75

2.10 DISEÑO DE SISTEMAS DE PROTECCIÓN CON RELEVADORES 76

2.10.1 Compromisos del sistema de protección 76

2.10.2 Criterios de diseño 76

2.10.3 Desempeño del sistema de protección 77

2.10.4 Zonas de protección 77

2.11 APLICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN 79

3 Técnicas de los Relevadores de Protección 81

3.1 CLASIFICACIÓN DE LOS RELEVADORES 81

3.1.1 De acuerdo a su función general 81

3.1.2 De acuerdo a su construcción 82

3.1.3 De acuerdo a la señal de entrada 82

3.1.4 De acuerdo al tipo de protección 82

3.1.5 De acuerdo a la función específica 83

Contenido

XI Protección de Sistemas Eléctricos

3.2 IDENTIFICACIÓN INTERNACIONAL

...