PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
12. PROTECCI PROTE CCIÓN ÓN DE ALTERNA ALTERNADORES DORES Y MOTORES MOTORE S SÍNCRONOS SÍNC RONOS 12.1. 12.1 . INTRODUCC INTRO DUCCIÓN IÓN Los alternadores del tipo síncrono son los convertidores más tili!ados para la "eneraci#n de ener"ía el$ctrica %a &e la inmensa ma%oría de la ener"ía ener"ía el$ctr el$ctrica ica tili! tili!ada ada es o'tenida o'tenida a trav$ trav$ss
de este tipo tipo de
má&inas( El alternador Síncrono) o tam'i$n llamado "enerador) es n tipo de má&ina el$ctrica rotativa capa! de trans*ormar ener"ía mecánica +en *orma de rotaci#n, en ener"ía el$ctrica( Es capa! de convertir ener"ía mecá me cáni nica ca en el$c el$ctr tric ica a can cando do oper opera a co como mo "ene "enera rado dorr % ener ener"í "ía a el$ctrica en mecánica cando operada como motor( motor( La ra!#n por la &e se llama "enerador síncrono es la i"aldad entre la *recencia el$ctrica como la *recencia an"lar es decir el "enerador "irara a la velocidad del campo ma"n$tico a esta i"aldad de *recencias se le denomina sincronismo( Son los encar"ados de "enerar la ma%or parte de la ener"ía el$ctrica consmida en la red) % s respesta dinámica reslta determinante para la esta'ilidad del sistema desp$s de na pertr'aci#n( Por ello) para para sim simla larr la res esp pes esta ta diná dinámi mica ca de n sist sistem ema a el$c el$ctr tric ico o es imprescindi'le modelar adecadamente los "eneradores síncronos( -ncionan 'a.o el principio de &e en n condctor sometido a n campo ma"n$tico varia'le crea na tensi#n el$ctrica indcida c%a polaridad depende del sentido del campo % s valor del /.o &e lo atraviesa( Esta má&ina *nciona alimentando al rotor o circito de campo por medio de na 'atería es decir por este devanado /irá CC( Mientras & en el estator o circito de armadra la corriente es alterna CA( Cando n "enerador síncrono está sometido a car"a) la tensi#n
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indcida s*re cam'ios por lo &e se de'erá tili!ar e&ipos a2iliares &e "aranticen na #ptima operaci#n del mismo( Para predecir con cierta precisi#n el comportamiento de la ma&ina síncrona en cal&ier estado estacionaria o transitoria se de'en de mane.ar circitos e&ivalentes 'astantes ela'orados) re&iri$ndose n con.nto de parámetros3
Reactancia Reactancia lon"itdinal +4d, Relaci#n Rel aci#n de cortocircito Reactancia Reactancia síncrona transversal +4&, Reactancia Reactancia transitoria lon"itdinal +45d, Reactancia Reactancia s'transitoria lon"itdinal +455d, Reactancia Reactancia s'transitoria transversal +455&, Reactancia Reactancia inversa +46, Resistencia Resi stencia inversa +R6, Reactancia Reactancia 7omopolar +R8, Resistencia Resi stencia 7omopolar +R6, Reactancia de Potier +4p, Resistencia Resi stencia en corriente contina del indctor % el indcido Resistencia Resi stencia de secencia directa del indcido +R9, Constante de tiempo transitoria lon"itdinal en cortocircito( cortocircito( Constante de tiempo s'transitoria lon"itdinal en cortocircito(
Esto Estoss parám arámet etrros de'e de'en n de se serr *ac *acilita litado doss como omo dato datoss por por el sministrador de la ma&ina en el momento de s ad&isici#n) en caso necesario peden ser determinados por ensa%os(
12.2. 12.2 .
DISPOSI DIS POSICIÓN CIÓN DE ALTERNA ALTERNADORES DORES
La *orma de conectar los "eneradores a la red depende del tama:o de los mismos) para alternadores de pe&e:as centrales +680988 M;A, o de "rpos indstriales "enerando en MT +<0= >?, la cone2i#n pede ser directa a 'arras 'arras a trav$s de n interrptor atomático si la tensi#n de "enerador coincide con la del sistema de MT en caso contrario es
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indcida s*re cam'ios por lo &e se de'erá tili!ar e&ipos a2iliares &e "aranticen na #ptima operaci#n del mismo( Para predecir con cierta precisi#n el comportamiento de la ma&ina síncrona en cal&ier estado estacionaria o transitoria se de'en de mane.ar circitos e&ivalentes 'astantes ela'orados) re&iri$ndose n con.nto de parámetros3
Reactancia Reactancia lon"itdinal +4d, Relaci#n Rel aci#n de cortocircito Reactancia Reactancia síncrona transversal +4&, Reactancia Reactancia transitoria lon"itdinal +45d, Reactancia Reactancia s'transitoria lon"itdinal +455d, Reactancia Reactancia s'transitoria transversal +455&, Reactancia Reactancia inversa +46, Resistencia Resi stencia inversa +R6, Reactancia Reactancia 7omopolar +R8, Resistencia Resi stencia 7omopolar +R6, Reactancia de Potier +4p, Resistencia Resi stencia en corriente contina del indctor % el indcido Resistencia Resi stencia de secencia directa del indcido +R9, Constante de tiempo transitoria lon"itdinal en cortocircito( cortocircito( Constante de tiempo s'transitoria lon"itdinal en cortocircito(
Esto Estoss parám arámet etrros de'e de'en n de se serr *ac *acilita litado doss como omo dato datoss por por el sministrador de la ma&ina en el momento de s ad&isici#n) en caso necesario peden ser determinados por ensa%os(
12.2. 12.2 .
DISPOSI DIS POSICIÓN CIÓN DE ALTERNA ALTERNADORES DORES
La *orma de conectar los "eneradores a la red depende del tama:o de los mismos) para alternadores de pe&e:as centrales +680988 M;A, o de "rpos indstriales "enerando en MT +<0= >?, la cone2i#n pede ser directa a 'arras 'arras a trav$s de n interrptor atomático si la tensi#n de "enerador coincide con la del sistema de MT en caso contrario es
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necesario n trans*ormador de acoplamiento(
En "rpos de co"eneraci#n de indstrias) en los cales los alternadores peden ser @T +9888; entre líneas, se re&iere n trans*ormador elevador para la cone2i#n a la red de MT a no ser &e el sministro se realice tam'i$n en @T( En "randes "randes alter alternad nador ores es de ce centr ntrale aless t$rmic t$rmicas as o 7idro 7idroel$ el$ctr ctrica icas) s) la cone2i#n a la red se 7ace a trav$s de n trans*ormador elevador +tra +trans ns*o *orrmador ador pri princi ncipal pal, des esde de el niv nivel de "ene "enera raci ci#n #n al de transporte ) si no 7a% n interrptor interrptor atomático entre entre ellos ellos al con.nto "enerador B trans*ormador se le denomina 'lo&e ) en este caso el interrptor interrptor de acoplamie acoplamiento nto está en el lado de AT del t(p( si entre el alternador % el trans*ormador principal e2iste interrptor del "enerador la manio'ra de acoplamiento se reali!a cerrando este( Drante el *ncionamiento de la central la alimentaci#n a los servicios a2iliares pede tomarse desde la propia "eneraci#n a trav$s de n "enerador a2iliar del "rpo "rp o TA) TA) para el arran&e +alimentaci#n de los servicios a2iliares antes de prodcirse la sincroni!aci#n del "rpo con la red, cando 7a% interrptor del "enerador se 7ace a trav$s del TP mant ma nten enie iend ndo o el I( I( a'ie a'iert rto o % ce cerrránd rándol olo o can cando do se cmp cmpla lan n las las cond co ndic icio ione ness de sinc sincrroni! oni!ac aci# i#n) n) can cando do no se disp dispon ones es de I( I( es necesario recrrir a n trans*ormador de arran&e +T(A, para reali!ar -IEE 0 1NCP
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esta manio'ra( Peden e2istir am'os +TA TA, pero solo no de ellos es imprescindi'le) en ese caso no de ellos es de reserva % están enclavados el$ctricamente entre sí( Estos alternadores son en estrella con el netro pesto a tierra a trav$s de resistencia para limitar % evitar de esa *orma da:os por es*er!os t$rmicos % dinámicos en el alternador(
12.3. 12.3 .
CONSIDERA CONS IDERACION CIONES ES PREVIAS PREVI AS
Como en otros casos de protecci#n de elementos o sistemas) el coste % comple.idad de las protecciones del alternador depende de s tama:o e importancia( Se"n el docmento docmento preparado preparado por la red el$ctric el$ctrica a S(A( S(A( compa:ía compa:ía d la red de transporte en cola'oraci#n de las demás compa:ías el$ctricas clas clasiiFca Fca los los alte alterrnado nadorres ate atendie ndiend ndo o a s import portan anccia en el comportamiento % esta'ilidad del sistema el$ctrico en los si"ientes "rpos3
rpo A3 tr'oalternadores de más de 688 M;A rpo @3 tr'oalternadores entre G8 % 688 M;A rpo C3 "eneradores 7idrálicos de más de G8 M;A rpo D3 "rpos de 'om'eo de más de 6G M;A
Pe&e:os "rpos disponen de n con.nto de protecciones &e se trata de mante antene nerr al míni mínimo mo para para redc edcir ir co cost stes es mien mientr tras as &e &e en las las -IEE 0 1NCP
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"randes nidades al"nas protecciones protecciones peden estar dplicada o 'ien na *nci#n de protecci#n pede tener s complemento en otra *nci#n de *orma &e si na protecci#n se encentra *era de servicio el alternador no &ede desprote"ido no sele ser necesario dplicar todos los rel$s de protecci#n pero en "randes ma&inas se selen disponer las protecciones en dos paneles independientes alimentados a s ve! desde e&ipos a2iliares a2iliares independientes +'aterías +'aterías rectiFcadores rectiFcadores ,( 1n criterio se"ido en la protecci#n protecci#n de alternadores alternadores es el de no conFar todas las *nciones de protecci#n a n solo e&ipo por si este *alla) así an& an&e e los los acta actale less rel$ rel$ss
di"i di"ita tale less pede peden n
inco incorp rpor orar ar n "ran "ran
con.nto de *nciones de protecci#n es aconse.a'le aconse.a'le mantener mantener al"na de las consideraciones como principales de *orma independiente( Los "randes alternadores alternadores son no de los elementos más prote"idos de la red el$ctrica el$ctrica por el "ran coste coste &e sponen s reparaci#n % la perdida de la ener"ía) sin em'ar"o la actaci#n de ss protecciones de'e de tener alto "rado de Fa'ilidad )na descone2i#n intempestiva spone &e la ener"ía ener"ía &e &e de.a de.a de prodci prodcirr tiene &e ser ser asmida asmida por otros otros "rpos para mantener mantener el e&ili'rio entre la prodcci#n prodcci#n % el consmo %a &e eso pede so'recar"ar otras partes de la red) alternadores) líneas) provocando a s ve! s descone2i#n(
12.4. 12.4 .
TIPOS TIP OS DE DEFECTOS DEFE CTOS
Los alternadores se ven a*ectados por dos tipos de sitaciones3
12.4.1. Defectos !e t"e#e# s! o$"%e# e# &'( f)'t)s "#te$#)s Cortocircitos entre *ases o *ase0tierra en el estator) s !ona de protecci#n asociada +7asta el primario del T(P,( Cortocircitos en el rotor( 12.4.2. Co#*"c"o#es Co#*"c" o#es *e o+e$)c",# o+e$)c", # )#o$-)'es )#o$-)'e s So'recar"a Dese&ili'rio de corrientes) apertra de na *ase P$rdida de sincronismo Alta o 'a.a *recencia -IEE 0 1NCP
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So'retensi#n Motori!aci#n P$rdida de e2citaci#n
12.. PROTECCIÓN CONTRA FALLAS INTERNAS 12..1. PROTECCIÓN DIFERENCIAL Es la protecci#n principal contra cortocircitos tri*ásicos % 'i*ásicos( Con el principio di*erencial) la corriente &e circla 7acia el interior de cal&ier parte de n sistema el$ctrico a ser prote"ido) sea normal o anormal) de 'e ser i"al a la corriente 7acia el e2terior) en la medida &e no e2ista *alla entre las partes( Este tipo de relevadores de protecci#n) salmente se aplican en la protecci#n de e&ipo) tales como "eneradores) re"ladores) trans*ormadores) 'arras % motores) es &i!ás el más *recentemente sado en la protecci#n de trans*ormadores de cierta capacidad) opera a'riendo los interrptores en am'os e2tremos del elemento prote"ido(
12..1.1. P$otecc",#
*"fe$e#c")'
*e
+e!e/os
)'te$#)*o$es Pede llevarse a ca'o con T(I toroidales % rel$s de so'reintensidad instantáneos(
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12..1.2. P$otecc",# *"fe$e#c")' co# T.I 0o0"#)*os $e'& *"fe$e#c")'. Protecci#n di*erencial +H,( Esta protecci#n es capa! no solo de eliminar todos los tipos de cortocircito internos) sino tam'i$n entre espiras( En el es&ema di*erencial) se comparan las corrientes de entrada con las de salida del elemento prote"ido) siendo &e el relevador denominado di*erencial) opera cando a trav$s del mismo) circlan na corriente c%a di*erencia entre la entrada % la salida re'asa cierto valor a.stado % denominado corriente di*erencial( 1n .e"o de T(I se conecta en el netro) el otro .e"o de T(I en el lado de línea) la !ona prote"ida pede inclir el interrptor +caso de &e e2ista interrptor de "enerador) si solo e2iste interrptor del 'lo&e ) la !ona de protecci#n a'arca 7asta el primario del T(P, La !ona prote"ida son e2clsivamente los devanados del estator pero no los v$rtices del trián"lo(
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Los seis T(I de'en ser de las mismas características) inclida la rt( La cone2i#n de los mismos de'e de reali!arse de *orma &e en condiciones sanas los circitos de *renado del rel$ sean por corrientes i"ales % en *ase( En am'os casos esta protecci#n di*erencial pede tener n J de *renado 'a.o +GJ098J, dado &e las corrientes a la entrada % salida de las *ases son i"ales a di*erencia de lo &e scede en los trans*ormadores( 12..1.3. P$otecc",# *"fe$e#c")' *e' 0'o!e Para este caso el alternador &eda inclido en la !ona de protecci#n de n rel$ di*erencial del con.nto "enerador K T(P( este rel$ 7a de ser de protecci#n de trans*ormador(
12..1.4. P$otecc",# *"fe$e#c")' *e' co#!#to %e#e$)*o$ T.P t$)#sfo$-)*o$ )!"'")$ *e' %$!+o. Los T(I de los secndarios en estrella de los trans*ormadores TP TA de'en de ir conectados en -IEE 0 1NCP
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trian"lo) mientras &e los T(I del lado de trian"lo de'en de ir conectados en estrella) en este caso en ve! de sar n .e"o de T(I se tili!a n .e"o nico en con na corriente primaria i"al a la sma de corrientes del T(P % TA el 7ec7o de &e el alternador este presente no modiFca nada %a &e al ser en estrella la corriente es la misma entre la entrada % la salida ) con ello en ve! de conectar los T(I en el lado de línea del alternador se peden colocar en el lado de netro( Para la protecci#n del 'lo&e % en este de protecci#n con.nta la ra!#n para nas !onas de protecci#n di*erencial a'arca más de n elemento es &e pede pede &e no 7a%a interrptores entre ellos para aislar al elemento en *alta( En caso de *alta en el interior del T(P se prodce la apertra del interrptor del lado de A(T) el disparo de tr'ina % la e2citaci#n) lo mismo ocrre con el TA) a s ve! el alternador pede pede disponer de otra protecci#n para el solo(
Las protecciones di*erenciales del 'lo&e o la con.nta sirven de respaldo a la di*erencia del "enerador %a &e es n *allo interno en $l es visto por todas ellas( Tanto la protecci#n di*erencial del 'lo&e como esta del con.nto enKTPKTA al inclir a menos n
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tras*ormador D0 de'e de ser ca'leada de *orma &e se compensen los des*ases(
12..1.. P$otecc",# *"fe$e#c")' t$)s5e$s)'. En má&inas +motores como alternadores, de "ran potencia pede ser necesario &e cada *ase este *ormado por dos o más 'o'inas en paralelo) en condiciones normales la corriente por *ase se reparta por i"al en las distintas secciones(
La sitaci#n cam'ia cando se prodce n corto circito entre espiras +'ien de la misma secci#n) o más impro'a'le entre distintas secciones, %a &e se prodce n dese&ili'rio en el reparto de corriente) esta *alla no es detectada por na protecci#n di*erencial dado &e la corriente &e entra es di*erente a la corriente &e sale) esta *alla de'e de ser detectada % eliminada por&e pede prodcir da:os en la 'o'ina % circito ma"n$tico % prodcir a s ve! na *alla a tierra( En la práctica an en condiciones sanas se peden prodcir dese&ili'rios de corriente de'ido a &e las *racciones de devanado no sean e2actamente i"ales) por esta ra!#n no pede 7acerse demasiado sensi'le( Como elementos detectores podrían sarse rel$s de so'reintensidad) pero tam'i$n n rel$ di*erencial( A esta *orma de protecci#n di*erencial se le denomina transversal(
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12..2. DETECCIÓN DE CORTOCIRCUITO ENTRE ESPIRAS EN 6O6INADO SIMPLES La *orma de detectar corto circitos con disposici#n anterior no es aplica'le a ma&inas con na nica 'o'ina por *ase( Para este caso se detecta midiendo la tensi#n 7omopolar &e aparase como consecencia del dese&ili'rio de tenciones dado &e en la *ase &e este en *alla la tensi#n es menor &e en las sanas(
El rel$ de'e de ser insensi'le al tercer arm#nico de tensi#n % de 'e de estar tempori!ado para evitar &e act$ de *orma instantánea ante na pesta a tierra e2terna al alternador dado &e esa *alla tam'i$n pede prodcir la aparici#n de na tensi#n 7omopolar pero no de'e provocar la descone2i#n del alternador(
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12..3. PROTECCIÓN DE SO6REINTENSIDAD 7DISPOSITIVO 1 O 1V8 Son sados como protecci#n de respaldo de la protecci#n di*erencial ante *allas internas 'i*ásicas o tri*ásicas se peden sar la protecci#n de so're intensidad tempori!ada 'ien a tiempo deFnido o tiempo inverso( En pe&e:os "eneradores esta pede ser la protecci#n principal( S principal venta.a es s simplicidad pero s inconveniente es &e no es na protecci#n m% selectiva) n cortocircito interno de'ería de ser eliminada de *orma inmediata) sin em'ar"o na *alla e2terna al alternador de'e de ser despe.ada por la protecci#n más pr#2ima al de*ecto) para prever los disparos prematros es preciso imponer n tiempo de retardo(
Para
na
*alla
como
la
se:alada)
la
protecci#n
de
so'reintensidad del alternador ve prácticamente la misma corriente &e si la *alla se prod.era .sto en ss 'ornes de salida) sin em'ar"o no se de'e de prodcir la apertra de I(A G6 sino del G6L9 por medio de las protecciones de la línea de salida correspondiente al más pr#2imo a la *alla) por ello es necesario retardar la actaci#n del rel$ de so'reintensidad del alternador para procrar n disparo selectivo(
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La protecci#n de so'reintensidad tempori!ada no es tanto na protecci#n del alternador como ltimo recrso en caso de na *alla no despe.ada( Para evitar &e act$ en caso de *alla e2terna +en la red, s a.ste de'e de ser sperior a la corriente &e se pede aportar desde el alternador al de*ecto % para &e act$ en caso de *alla en la parte de "eneraci#n s a.ste de'e de ser in*erior a la corriente aportada desde la red si se cmple esta condici#n se pede dar n disparo rápido( Como se pede apreciar los T(I se sitan en el lado de A(T del T(P % se tili!a n rel$ tri*ásico( Pero la protecci#n más tili!ada se denomina protecci#n de so'reintensidad controlada +o *renada, por tensi#n +dispositivo G9;,( Se tili!a na protecci#n de so'reintensidad &e no responde solo al m#dlo de la corriente sino &e s actaci#n viene condicionada tam'i$n por el valor de la tensi#n +pero no es na protecci#n direccional,( 9, En n alternador la corriente de cortocircito permanente pede ser in*erior a la car"a( En *ncionamiento normal la ma&ina tra'a.a con na introdcci#n correspondiente a la !ona del codo de satraci#n % la impedancia &e presenta es la reactancia síncrona satrada) en caso de cortocircito permanente la corriente de cortocircito está limitada por la reactancia síncrona no satrada &e es ma%or &e la anterior % la corriente +siempre &e la e2citaci#n se manten"a en el mismo valor anterior al de*ecto, es menor( Si ante la caída de tensi#n &e spone el cortocircito el re"lador de tensi#n acta en el sentido de amentar la e2citaci#n) la corriente de cortocircito permanente pede ser sperior a la de car"a( 6, En las ma&inas atoe2citadas la corriente de cortocircito permanente es in*erior a la nominal( -IEE 0 1NCP
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El circito de e2citaci#n se o'tiene de la rectiFcaci#n controlada de la tensi#n en 'ornes) si la tensi#n en 'ornes se anla por n cortocircito) la tensi#n de e2citaci#n se anla % tam'i$n lo 7ace la corriente de e2citaci#n( Por esta ra!#n +corriente de cortocircito permanente del mismo orden o inclso menor ala nominal, la actaci#n de rel$ solo se lleva a ca'o si la tensi#n es in*erior a la nominal( Por&e no se prodce la actacion el periodo s'transitorio o transitorio en los cales la corriente de cortocircito mantiene n alto valor) la ra!#n está en la tempori!aci#n necesaria para prodcir n disparo selectivo) para entonces la corriente pede 7a'er decaído por de'a.o del valor nominal( Disposici#n &e se pede dar esta protecci#n( En +a, los T(I se sitan en el lado del netro miden la aportaci#n desde el alternador a n de*ecto) se peden detectar de*ectos e2ternos a la má&ina % de*ectos internos e2cepto en las pro2imidades del netro( En +', se mide la corriente aportada desde la red en caso de de*ecto interno % la aportada desde el alternador en caso de de*ecto e2terno) en caso de &e la red conectada sea pasiva +solo car"as, no podrían detectarse de*ectos internos( En +c, se peden detectar tanto de*ectos internos como internos a cada má&ina por la aportaci#n &e 7ace la otra má&ina +sin em'ar"o para evitar la descone2i#n simltanea de los dos alternadores en caso de de*ecto interno en no de ellos es más conveniente sar protecciones direccionales,(
Las características de intervenci#n del rel$ G9; tam'i$n peden ser varias dependiendo del *a'ricante(
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En +a, la característica de intervenci#n de n rel$ de so'reintensidad
a
tiempo deFnido
redce
s
valor
de
intervenci#n si la tensi#n es m% in*erior a la nominal( En +', el rel$ dispone de na nidad de so'reintensidad instantánea % otra de mínima tensi#n) si se prodce n cortocircito arrancan la nidad de so'reintensidad % la de mínima tensi#n) si al ca'o del tiempo a.stado no se repso la tensi#n
se
prodce
el
disparo
an&e
la
nidad
de
so'reintensidad 7a%a caído( 12..4. PROTECCIÓN DE MÍNIMA IMPEDANCIA. 7DISPOSITIVO
218 Como protecci#n de respaldo a la protecci#n di*erencial ante *allas 'i*ásicas % tri*ásicas se pede tili!ar na protecci#n de impedancia
c%a
característica
de intervenci#n
es
na
circn*erencia centrada en el ori"en de impedancia( El radio del circlo pede a.starse % de s ma"nitd dependerá &e la protecci#n peda ser m% rápida +disparo instantáneo, o &e sea necesario tempori!arla( en la F"ra se ve la cone2i#n de los T(I % TT para alimentar la protecci#n) de momento se ra!onara en 'ase a &e los T(I se encentran en el lado de línea del alternador) tam'i$n se mestran las características de actaci#n del rel$ &e es cando la impedancia medida se encentra dentro del círclo) se pede apreciar &e esta característica pede medir tanto impedancias desde 'ornes del alternador 7acia la red como 7acia s propio netro) tam'i$n se -IEE 0 1NCP
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mestra el es&ema niFlar % la representaci#n de la alimentaci#n al rel$( Spon"amos &e al rel$ se le da n a.ste tal &e el radio del círclo se 7ace i"al a la impedancia del trans*ormador principal +para ello es necesario pasar a ma"nitdes secndarias de los T(I % T(T el cociente 1nomIcc del tras*ormador,) el rel$ actaria siempre &e viera na impedancia aparente in*erior al a.ste) el límite de operaci#n del rel$ sería .sto cando se prodce n cortocircito en 'ornes de A(T del T(P) para *altas más allá la impedancia medida sería sperior % el rel$ no actaria % para *altas en el interior del T(P la impedancia sería menor % actaria(
Dado &e la característica de actaci#n del rel$ es circlar) tam'i$n operara para cal&ier *alta tri*ásica interna dentro del alternador &e spon"a &e el m#dlo de la impedancia desde las 'ornes de salida es i"al o in*erior a la de cortocircito del T(P( Por lo tanto 7a% na *racci#n 2988J del devanado del alternador &e es tal &e la impedancia vista desde las 'ornes de salida tiene el mismo modlo +o in*erior, &e la del T(P % las -IEE 0 1NCP
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*altas &e se prod!can en esa !ona serán detectadas por el rel$ de impedancia( Esta protecci#n no pede dar co'ertra al 988J de los devanados del estator) 7a% &e pensar &e n cortocircito en el netro no es n de*ecto sino la propia cone2i#n del netro(
Si el a.ste del rel$ se 7ace ma%or entonces se peden detectar *allas prodcidas más allá del lado de A(T del T(P) es decir en las líneas de salida) en este caso es preciso tempori!ar la actaci#n del rel$ para permitir &e acten las protecciones de la línea a*ectada para despe.ar la *alla) si el a.ste se 7ace menor a cc del T(P la actaci#n pede ser instantánea +sin retardo adicional, dado &e la *alla es interna al sistema de "eneraci#n(
La !ona prote"ida comprende el Q8J del TP) parte del alternador % parte del trans*ormador a2iliar + del Q8J %a &e s cc es sperior a la del T(P al ser de menor potencia,( Sin em'ar"o la sitaci#n de los T(I no sele ser el lado de línea del alternador sino &e van colocados en el lado del netro) eso modiFca el valor de la !ona prote"ida del alternador contra *allas internas pero el principio en &e se 'asa si"e siendo el mismo( -IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
An&e los ra!onamientos anteriores están 7ec7os a 'ase de sponer *allas tri*ásicas) el rel$ detecta *allas entre *ases dado &e ss nidades internas de medida no están alimentadas por las tenciones simples % las corrientes de línea sino por tensiones compestas % di*erencia de corriente de línea) esta disposici#n permite c'rir todas las *allas 'i*ásicas % tri*ásicas( Para evitar &e el decrecimiento de la corriente peda a*ectar a la operaci#n del rel$ este de'e de arrancar por s'impedancia en l"ar de 7acerlo por so'recorriente(
12... PROTECCIÓN DE FALLAS A TIERRA DEL ESTATOR 791::;8 Las *altas a tierra en el interior del estator peden empe!ar como *allas entre espiras o 'ien directamente por perdida del aislamiento de na 'o'ina respecto al ncleo ma"n$tico) el ncleo está rodeado por la carcasa % está pesto a tierra( Si los devanados están conectados en trian"lo o en estrella con el netro aislado) la pesta a tierra de n devanado no spone na corriente de *alla inmediata +e2cepto na pe&e:a corriente capacitiva &e pede aparecerá,) sin em'ar"o es importante detectarla %a &e na se"nda pesta atierra en otra *ase condce a n cortocircito 'i*ásico(
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
Los alternadores conectados en estrella peden tener el netro aislado respecto a tierra o 'ien pestos a tierra) por lo "eneral la pesta a tierra del netro incl%e al"n tipo de impedancia &e limita la corriente de *alla atierra esto se reali!a por &e en los alternadores la impedancia 7omopolar pede ser in*erior a la impedancias de secencia positiva % ne"ativa % en consecencia la corriente de *alla mono*ásica sperior a la de de*ecto tri*ásico( 1na corriente de de*ecto a tierra no limitada pede prodcir la rotra de espiras por es*er!o dinámico &e an&e es na avería
importante
es
+relativamente,
*ácil de s'sanar
sstit%endo la 'o'ina) el e*ecto más per.dicial es la *si#n de la c7apa del circito ma"n$tico de'ido a las altas temperatras alcan!adas por el arco antes de eliminar la *alla) esto es mc7o más seria &e el anterior( Es necesario limitar por medio de na resistencia en el netro la corriente de *alla a tierra) en pe&e:as ma&inas se pede limitar con na pesta a tierra de 'a.a impedancia( En "randes ma&inas es necesario limitar mc7o más) lo 7a'ital
es
'a.ar
la
corriente
a
n
nivel
de
688A
apro2imadamente pero an con n valor tan 'a.o +respecto a la nominal, se prodce da:os importantes % la practica actal es limitar la corriente a nos niveles mc7o más pe&e:os) entre 9 % 68A con na pesta a tierra de alta impedancia(
Para na *alla &e a*ecte a n 2J de devanado se tendría de *orma similar
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
La corriente de *alla en este caso se pede sponer proporcional a la porci#n de devanado a*ectado por la *alla) es má2ima cando se prodce en 'ornes % nla cando se prodce en el mismo netro( 12...1. Detecc",# *e f)'t)s ) t"e$$) co# 0))
"-+e*)#c") La corriente de de*ecto pede ser sFciente para ser detectada con *acilidad por protecciones 'asadas en corriente) la protecci#n di*erencial pede ser na de ellas( Es más sensi'le la protecci#n di*erencial de netro) % prote"eremos el alternador con disparo atomático( Como respaldo se pede sarse n rel$
de
so'reintensidad) % el netro alimentado desde n T(I( Con n corriente nominal primaria i"al a la mitad de la corriente de *alta a tierra) % n a.ste del rel$ m% 'a.o( Si el alternador está conectado a n devanado en ∆
de n trans*ormador se podría sar n rel$
instantáneo(
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
Si el alternador está conectado sin trans*ormador elevador) % a s ve! parten a líneas) es necesario tempori!ar la actaci#n( Si e2isten varios alternadores en paralelo so're 'arras comnes) cal&ier
*alta a tierra se cierra por los
netros disponi'les(
12...2.
Detecc",# *e f)'t)s ) t"e$$) co# )'t)
"-+e*)#c") En "randes alternadores se limita a n valor m% 'a.o la corriente de *alta a tierra( Se diFclta la detecci#n de la *alta por medio de rel$s de corriente) % se 7ará por medio de la tensi#n( En n trans*ormador de relaci#n 98888G A apenas varía las corriente de salida de &e circle na corriente de *alta de 98 A sperpesta a la nominal de 98888) % con ello se descarta el so de rel$s di*erenciales de 'a.a impedancia( -IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
La disposici#n mostrada en la F"ra) los arrollamientos en
∆
de los tra*os principal % a2iliar aíslan las *altas
&e se peden prodcir( Los elementos de protecci#n solo peden actar en caso de na *alta a tierra &e a*ecte el alternador) o la cone2i#n con los tra*os(
a. Disponer una resistencia de A.T entre el neutro y tierra.
Caso3 La tensi#n "enerada es 68 >;) % &eremos limitar la corriente de de*ecto a 98 A) la resistencia de'e de presentar n alto nivel de aislamiento en tensi#n simple +99)G >;, % n valor de 99G8
(
b. Disponer un transformador en el
neutro
con salida a B.T y una resistencia a esta tensión en el secundario.
El netro no de'e de entrar en satraci#n cando el alternador *ncione a na tensi#n de 98GJ de la nominal % n mar"en de se"ridad( -IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
La corriente de *alta circla en n tiempo pe&e:o antes de ser despe.ada % pede redcir la potencia( La condici#n es &e el trans*ormador la soporte( Pede e2istir na pe&e:a corriente en el netro) por&e en los devanados % condctores de salida de los devanados presentan nas capacidades parásitas pe&e:as pero no nlas(
Las *(e(m indcidas no son senoidales per*ectas de'ido a la presencia de arm#nicos o 'ien con campo rectan"lar de'a.o
de los polos la
disposici#n de las espiras(
12...3.
Detecc",# *e f)'t)s ) t"e$$) co# #e!t$o
)"s')*o En el caso inFnito de impedancia alta ( ∞ ) ) netro aislado) m% *recente en pe&e:as centrales) pede ser la cone2i#n directa a 'arra(
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
La disposici#n mostrada presenta varios pro'lemas) como la presencia de na tensi#n 7omopolar % no permite n disparo selectivo( Como tam'i$n el netro aislado la corriente de de*ecto es nicamente las corrientes parásitas) % prodcen so'retensiones
transitorias
o
permanentes
por
*erroresonancia(
Pede ser di*ícil determinar el valor de las capacidades parásitas % por ende de la resistencia( De'emos de dar n valor adecado a la resistencia para detectar con se"ridad la corriente de entrada al lado de A(T(
En la F"ra mostrada se representa na *alta a tierra &e a*ecta al alternador) &e spone &e la corriente de *alta resistiva introdcida es m% sperior a la capacitiva de *orma &e esta ltima no se mestre ni se tiene en centa( La corriente resistiva está prodcida por la tensi#n aplicada a la resistencia del secndario del trián"lo a'ierto( -IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
La corriente de de*ecto pasa ínte"ra a trav$s de n T(I toroidal % pede ser detectada por el rel$ de so'reintensidad) % la actaci#n se prodce si 7a% tensi#n % corriente 7omopolar simltáneamente( 12..<. PROTECCIÓN DEL 1::; DEL ESTATOR Los procedimientos anteriores presentan la misma limitaci#n de no detectar pestas a tierra en el netro &e no pasa del Q8 o QGJ( eda en el ltimo tramo en el cal na *alta a tierra no prodce ni corriente ni tensi#n sFciente para ser detectada(
12..<.1.
Me*"*) *e ') te#s",# )$-,#"c) e#t$e e'
#e!t$o t"e$$) En condiciones normales circlas corrientes de tercer arm#nico) % en caso de na pesta a tierra del netro la tensi#n se 7ace prácticamente nla) % se pede detectar por n rel$ de mínima tensi#n +6,( Para &e act$ es necesario además &e la tensi#n se la de servicio evitándose así &e se se:alice *alta con la má&ina parada(
12..<.2. I#ecc",# *e !#) co$$"e#te s!0)$-,#"c) La in%ecci#n de na corriente en el netro es n tipo de protecci#n más comple.a % soFsticada &e la anterior( Se 'asa en aplicar por medio de n T(T na tensi#n de na *recencia in*erior a la *ndamental entre netro % tierra(
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
12..=. P$otecc",# co#t$) f)'t)s ) t"e$$) e# e' -oto$ El circito de e2citaci#n está aislado de tierra sin em'ar"o la parte estrctral esta pesta a tierra mediante n anillo ro!ante % na esco'illa( El procedimiento más simple para detectar la primera pesta a tierra del rotor es el conocido como el del potenci#metro( Consiste en poner en paralelo con la 'o'ina indctora na resistencia elevada con na toma intermedia la cal a s ve! se conecta al rel$ de tensi#n contina % a tierra(
Al prodcirse na pesta a tierra el rel$ &eda sometido a la tensi#n e2istente entre los pntos donde se prod.o el de*ecto % la tensi#n en el pnto medio de la resistencia % acta para dar na alarma( Se presenta n pnto cie"oU &e es cando la pesta a tierra se prodce en las pro2imidades del pnto medio de la 'o'ina indctora %a &e en este caso la tensi#n en el rel$ es nla o m% pe&e:a(
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
El inconveniente del pnto cie"oU se spera de dos *ormas3 a( Se dispone de otra toma en el resistencia % se conmta a esa posici#n peri#dicamente( '( Se pone en serie con la resistencia n varistor) la resistencia varia con la tensi#n(
Otros m$todos de detecci#n consisten en in%ectar en el rotor na corriente contina o alterna de 'a.a *recencia) &e se cierra a trav$s de la *alta en el rotor siendo esta detectada por n rel$ de corriente o de tensi#n(
12.<.
PROTECCIÓN
ANTE
SITUACIONES
ALTERNADOR 12.<.1. P$otecc",# *e so0$ete#s",#
-IEE 0 1NCP
ANORMALES
DEL
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
Los alternadores peden estar e2pestos a so'retensiones por distinta casas3
So'retensiones de ori"en atmos*$rico So'retensiones de manio'ra
La protecci#n contra este tipo de so'retensiones se e*ecta por medio de pararra%os( Adicionalmente peden aparecer so'retensiones por a( Perdida 'rsca de car"a '( -allo en el e&ipo de re"laci#n de tensi#n En el caso a, la aparici#n de la so'reintensidad esta ori"inada por&e para mantener n estado de car"a "eneralmente se re&iere de na tensi#n interna sperior a la nominal) a la descone2i#n de na car"a importante amenta la tensi#n 7asta &e el re"lador dismin%a la intensidad de e2citaci#n( Simltáneamente
pede
aparecer
na
so're
velocidad
+em'alamiento, este e*ecto es más acsado en los alternadores 7idrálicos &e en los tr'oalternadores) la ra!#n es &e la potencia se tiene &e redcir en la ma"nitd desconectada) para ello es preciso re"lar la posici#n de la válvla de admisi#n de potencia primaria en la ma&ina motri!) los "rpos 7idrálicos la inercia de la masas de a"a entrando en la tr'ina no permite na acci#n tan rápida como en las tr'inas de vapor En el caso ', cada ve! los re"ladores son am comple.os % eso amenta la posi'ilidad de *allo o n *ncionamiento incorrecto( Los alternadores están dise:ados para &e soporten en permanencia na so'retensi#n) normalmente 98GJ) pero tensiones speriores peden ser per.diciales tanto por ra!ones diel$ctricas de aislamiento como por so'ree2citaci#n) 7a% &e -IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
pensar &e la *(e(m( indcida es EoV ((N(*(W % &e n amento de tensi#n manteni$ndose la *recencia re&iere n amento de /.o &e contri'%e a satrar el circito ma"n$tico) esta'leci$ndose en partes no almenadas creando *ertes p$rdidas por corrientes parasitas &e se peden tradcir en da:os al 7ierro( Por las ra!ones e2pestas se peden encontrar dos tipos de rel$s de so'retensi#n) no independiente de la *recencia +dispositivo GQH9,( Los primeros responden nicamente al m#dlo de la tensi#n) peden disponer de dos escalas de actaci#n) el a.ste sperior prodce actaci#n instantánea % el escal#n in*erior tiene n tiempo de intervenci#n &e pede ser F.o o con na característica de tiempo inverso) valores típicos de disparo instantáneo peden estar comprendidos entre 9(609( 1n % el diaspro retardado entre 9(8G09(61n( Otra ovaci#n en la &e se emplean rel$s de so'retensi#n es en el caso de pe&e:as centrales o "rpos de "eneraci#n de indstrias) en este caso para desconectar el "rpo del enlace de M(T( cando se prodce na so'retensi#n mantenida drante cierto tiempo en la línea) la alimentaci#n al rel$ de'e de darse desde na tensi#n compesta para evitar &e act$ por na pesta a tierra en la línea) sitaci#n en la &e las *ases sanas peden e2perimentar n amento de la tensi#n La protecci#n contra so'ree2citaci#n +GQH9, sirve para el 'lo&e enerador KTP) %a &e am'os s*ren pro'lemas similares con el amento del /.o) el alternador con menor capacidad de soportar e*ectos &e el trans*ormador) los valores
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
admisi'les de so'ree2citaci#n % tiempo de'en de ser *acilitados por el *a'ricante(
12.<.2. P$otecc",# *e +ote#c") "#5e$s) 7328 Esta protecci#n es en realidad de la ma&ina motri! más &e del alternador) se denomina tam'i$n de retorno de potencia o anti motori!aci#n por&e evita &e la ma&ina tra'a.e como motor síncrono arrastrando a s má&ina primaria +tr'ina o motor diesel,(
Cando na ma&ina síncrona está conectada a na red +es decir) no tra'a.a aislada, % la e2citaci#n esta en servicio) *nciona como "enerador si reci'e potencia mecánica) si al entrada de potencia se redce o anla si"e tra'a.ando a la misma velocidad pero en este caso como motor síncrono reci'iendo de la red potencia mecánica necesaria para mantener el movimiento para vencer las perdidas mecánicas( Desde el pnto de vista de la ma&ina esta sitaci#n no spone nin"na anomia) sin em'ar"o la tr'ina o motor primario se pede ver "ravemente da:ado(
La sitaci#n de motori!aci#n no a*ecta a todas la ma&inas motrices por i"al) en tr'inas de vapor se peden prodcir de*ormaci#n de ala'es por n en*riamiento rápido) en al"nos tipos de 7idrálicas +Xaplan) -rancis, aparecen pro'lemas de
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
cavitaci#n) en los motores diesel e2iste ries"o de incendio de e2plosi#n( Las
ma&inas
primarias
incl%en
distintos
dispositivos
mecánicos para detectar la motori!aci#n) sin em'ar"o esta "eneralmente aceptado disponer de al"n tipo de rel$ &e act$ en este caso( Si la entrada de potencia a la ma&ina motri! no se anla totalmente pde sceder &e sea insFciente para compensar la pedidas mecánicas) el moviente se mantiene pero a 'ase de &e al red aporta la potencia restante) la cal pde ser m% pe&e:a) esto presenta pro'lemas de detecci#n para cal&ier tipo de rel$ &e se tilice %a &e de'e de re m% sensi'le en este caso pero permanecer inoperante cando el /.o de potencia activa sea el nominal en el sentido de actaci#n como "enerador Si la entrada de potencia se anla totalmente entonces la potencia necesaria para &e se prod!ca la motori!aci#n varia con el tipo de má&ina) los valores +apro2imados, en J respecto a la nominal) la cal coincide apro2imadamente con la
del
alternador ) son los indicados a continaci#n3 Tr'ina de vapor de condensaci#n3
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
adelanta, na án"lo ma%or de Q8 a ala tensi#n en 'orne) es m% importante la capacidad de detecci#n de pe&e:os valores de corriente %a nlos de e2ceso +dado el pe&e:o valor de la corriente,( El tipo más e2tendido de protecci#n es sin em'ar"o n rel$ &e mide propiamente el sentido de la potencia activa) rel$ direcciona vatimetrico m% sensi'le &e acta normalmente al 8(GJ de la potencia nominal de la má&ina( Pesto &e la sitaci#n es e&ili'rada 'asta con tili!ar n rel$ mono*ásico
Mestra la característica de intervenci#n en el plano 0@) e&ivalente al plano de potencias P0( La actaci#n no de'e de ser instantánea %a &e de lo contrario podría actar intempestivamente en el caso de oscilaciones pendlares esta'les o drante la sincroni!aci#n) e2isten distintas versiones &e condiciones la actaci#n del rel$ al estado de las válvlas d admisi#n Por e.emplo) se tiene las si"ientes tempori!aciones3 Con válvla cerrada +9 er escal#n de tempori!aci#n,3 6s Con válvla a'ierta +6 er escal#n de tempori!aci#n,3 <8s
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
12.<.3. P$otecc",# co#t$) +e$*"*) *e ec"t)c",# 74:8 La potencia por *ase &e n alternador pede transmitir a la tensi#n en 'ornes 1 depende de s tensi#n interna) dela án"lo de des*ase entre la tensi#n interna % la tensi#n en 'ornes
% de la reactancia síncrona
P =
U EO sin δ X s
(
Para transmitir na determinada potencia % mantener el sincronismo con la red se necesita na e2citaci#n mínima) en esta condiciones le án"lo interno es de Q8 En l F"ra se representa el dia"rama *asorial para na potencia de salida constante % distintos estados de e2citaci#n( La recta se:alada con 9 es el l"ar "eom$trico de la corriente necesaria para transmitir la potencia considerad % al se:alada con 6 es el l"ar "eom$trico de las tensiones internas(
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
N#tese &e la corriente de salida pede adelantar a la tensi#n en 'ornes) eso si"niFca &e la impedancia apronte de salida es de tipo capacitivo) es decir la ma&ina tomas potencia reactiva desde la red) esta so're2citada( Si se redce la potencia sministrada por la ma&ina motri!) se pde redcir la e2citaci#n) el dia"rama *esoria seria el mismo pero a7ora con n valor de I(cosY menor) es decir) la recta 9 más pr#2ima al ori"en( En deFnitiva) si se redce la potencia de entrada se pede redcir la e2citaci#n % la ma&ina mantener el sincronismo) pero si al e2citaci#n 'a.a por de'a.o de n valor mínimo o se anla por completo entonces el rotor se acelera adelantase al campo "iratorio creado por las corrientes del estator( En esa sitaci#n peden pasar dos cosas3 La velocidad del rotor amenta pro"resivamente) si no se redce la entrada de potencia por medio del re"lador podría ori"inar sitaci#n de so're velocidad % tendrían &e actar las protecciones mecánicas para evitar el em'alsamiento de la má&ina( L a velocidad del rotor amenta % se 7ace sperior a la del sincronismo pero lle"a n momento en &e se esta'ili!a) la -IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
ma&ina lle"a a *ncionar como n "enerador asíncrono) rotor accionado a la velocidad del campo( Para &e se prod!ca esto es necesario &e 7a%a n e&ili'rio entre la potencia mecánica de entrada % la potencia el$ctrica &e la ma&ina la ma&ina pede sministrar en esas condiciones) de lo contrario se estaría en el caso anterior( La sitaci#n de *ncionamiento como "enerador asíncrono no re&iere n disparo inmediato %) dependiendo de cada má&ina) pede permanecer en ese estado por espacio de al"nos mintos(
Si la corriente de e2citaci#n se anla por completo como consecencia
de n *allo
en
el circito de e2citaci#n
+cortocircito) apertra del interrptor de e2citaci#n) *allo del re"lador) etc(, el campo indctor se redce al campo remanente &e prácticamente no interacciona con el del estator de'ido a s pe&e:o valor) el rotor es llevado a na velocidad sperior a la del sincronismo % al "irar el rotor con respecto al campo &e da a n campo varia'le(
En las má&inas de rotor de polo salientes dotados de arrollamiento amorti"ados) este acta como n devanado de .ala de ardilla) % la ma&ina pede *ncionar como "enerador asíncrono con na potencia del orden del 9809GJ de la potencia nominal(
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
En las ma&inas del rotor liso +tr'oalternadores, el rotor sele ser de acero maci!o con ranras en la sperFcie para alo.ar las 'o'inas indctoras % no lleva arrollamiento amorti"ador) en condiciones asíncronas se indcen corrientes parasitas % la potencia &e pede trasmitir de *orma asíncrona es m% pe&e:a) del orden del 6 o
cando
sincronismo( -IEE 0 1NCP
la
ma&ina
todavía
pede
mantener
el
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
En los alternadores de potencia considera'le se sele detectar la pedida de e2citaci#n por medio
del impedancia aparente
vista es esas circnstancias) es decir) se tili!a n rel$ de medida de impedancia( De nevo 7a% &e recrrir al plano de impedancias tal como se vio al tratar la protecci#n de perdida de sincronismo(
Sponiendo de momento solo reactancias) el l"ar "eom$trico de las impedancias visto desde el alternador es el si"iente(
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
La característica de protecci#n contra perdida de e2citaci#n más sada es na circn*erencia centrada en el e.e ne"ativo delas reactancias +M7o despla!ado, &e alcan!a en la parte sperior al G80GJ de la reactancia transitoria lon"itdinal % en la parte in*erior a la reactancia síncrona no satrada( Se san tam'i$n otros valores distintos de radio % centro) pero todas tienen en comn la *orma % el alcance in*erior
12.=. OTRAS PROTECCIONES MECANCIAS Y ELECTRICAS 12.=.1. P$otecc",# *e ->#"-) te#s",# 7D"s+os"t"5o 2=8 Esta protecci#n no es propiamente del alternador %a &e este pede *ncionar sin peli"ro al"no por de'a.o de s tensi#n nominal( Se tili!a en caso de "rpos de "eneraci#n de indstrias o en pe&e:as centrales 7idrálicas pero como medio para aislar el "rpo de la red en caso de *altas en la línea a la &e están conectados( Detecci#n de na *alta se lleva a ca'o por tres rel$s alimentados a las tensiones de línea( La recone2i#n del "rpo a la red se lleva a ca'o desp$s de &e transcrra n cierto tiempo considerado se"ro con tensi#n correcta(
-IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
Tam'i$n se tili!an para detectar s'tensi#n en 'arras de los servicios a2iliares actando con na característica escalonada) los a.stes típicos son disparo por de'a.o de 8J al ca'o de Gse" % al ca'o de 8(Gse"( Para tensi#n del <8J) con estas tempori!aciones se evita el disparo en sitaciones de oscilaci#n de potencia( La actaci#n de estos rel$s provoca la descone2i#n de los servicios a2iliares % la parada de la central(
12.=.2. Co-+$o0)c",# *e s"#c$o#"s-o 7D"s+os"t"5o 2 Esta protecci#n impide el cierre del interrptor de acoplamiento si las tensiones a am'os lados no tienen ss m#dlos) *ases % *recencias i"ales o con nas discrepancias m% pe&e:as(
La sincroni!aci#n solo es posi'le si las tensiones se encentran dentro de la !ona de perimisio para ello(
12.=.3. E!"'"0$"o De Te#s"o#es 7D"s+os"t"5o <:8 La *nci#n llevada a ca'o por esta protecci#n tam'i$n se llama de vi"ilancia de *si'les( Al"nos rel$s o e&ipos peden actar cando la tensi#n se anla) para ase"rarse &e la actaci#n se -IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
lleva a ca'o por na redcci#n real de la tensi#n % no por la *si#n de al"n *si'le de los trans*ormadores de tensi#n se pede tili!ar el rel$ de e&ili'rio de tensi#n(
En la F"ra se ilstra &e n rel$ G9; podría actar ante la p$rdida de n *si'le del T(T del &e se alimenta( El rel$ de vi"ilancia de *si'les detecta &e la p$rdida de tensi#n no es de'ida a na *alta) %a &e 7a% na de las entradas de tensi#n de na misma *ase &e tiene n valor nlo) n contacto de este rel$ en serie con otro de G9; evita na actaci#n incorrecta de este ltimo(
12.=.4. Ot$)s Otras protecciones &e se san en ocasiones son la protecci#n contra la ener"i!aci#n accidental +o ma&ia merta, esta protecci#n acta de *orma instantánea cando por na *alsa manio'ra se ordena el cierre del interrptor de acoplamiento con la ma&ina parada o "irando a 'a.a velocidad) la actaci#n rápida esta impesta para prote"er a los co.inetes por 'a.a presi#n de aceite más &e a los devanados( La protecci#n contra *allo de interrptor detecta si e2iste circlaci#n de corriente en no o más de los polos interrptor de ma&ina o de "rpo cando esta de'e de ser nla( -IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
Za% dos sitaciones &e peden prodcir este estado) por na parte &e na orden de disparo prospere por n *allo en al"n pnto del circito &e lleva la orden de la 'o'ina de disparo del dis%ntor) en este caso se da na neva orden de disparo a la misma o a otra 'o'ina de disparo +caso &e este dplicado, en caso de nevo *allo 7a% &e prodcir el disparo de los interrptores ad%acentes) de la e2citaci#n % la tr'ina( Otra sitaci#n es cando el interrptor a'ierto % la ma&ina "irando % en tensi#n +p( e. previamente a la sincroni!aci#n,) por e*ecto de na so'retensi#n se prodce n ce'ado entre los contactos F.o % m#vil de no o más polos de n dis%ntor) en este caso es intil ordenar la apertra del interrptor dado &e está a'ierto) es preciso disparar la e2citaci#n % la tr'ina para evitar &e el arco se manten"a con la aportaci#n de corriente desde la má&ina( Protecciones Mecánicas.
Tanto el Alternador como s má&ina motri! están provistos de n con.nto más o menos amplio de protecciones c%o *ncionamiento es mecánico o 7idrálico) so're velocidad) 'a.a presi#n de aceite en co.inetes) etc( Las protecciones de este tipo varían se"n la potencia % el tipo de ma&ina primaria % no son o'.eto de tratamiento(
12.?.
PROTECCIONES RECOMENDADAS SE@N POTENCIAS
Las protecciones de los alternadores no están estandari!adas) en la práctica nos alternadores van dotados de más elementos de protecci#n &e otros) como siempre 7a% na relaci#n entre el coste e importancia del o'.eto prote"ido % el coste de los elementos de protecci#n( -IEE 0 1NCP
PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
En las protecciones contra de*ectos el$ctricos será necesario) para "eneradores
de
cal&ier
potencia)
instalar
protecci#n
de
so'reintensidad contra cortocircitos o so'recar"as) protecci#n contra so'retensiones de ori"en atmos*$rico o internas % protecci#n de *alta a tierra del estator( Para potencias speriores a GM;A se aconse.a disponer) entre otras) protecci#n di*erencial) protecci#n de má2ima % mínima *recencia) inversi#n de potencia) *alta a tierra del rotor % de*ecto de e2citaci#n) an&e siempre estarán dotados de dispositivos de control de la temperatra de los 'o'inados % del circito ma"n$tico) tales & pedan provocar en caso necesario la descone2i#n de la má&ina de la red( En los "eneradores de potencia sperior a los GM;A es m% aconse.a'le instalar n sistema de protecci#n contra incendios accionado por el rel$ de protecci#n di*erencial o por termostatos adecadamente sitados( En los "randes "eneradores & tilicen como /ido de re*ri"eraci#n el 7idro"eno) será o'li"ado la instalaci#n de este sistema de protecci#n contra incendios( Se de'erá prestar atenci#n) en el pro%ecto % monta.e) a los pro'lemas de vi'raciones Los "eneradores asíncronos conectados a redes p'licas) e&ipados con 'aterías de condensadores) estarán prote"idos contra las so'retensiones de atoe2citaci#n en caso de *alta de tensi#n en la red p'lica( Za% cierta coincidencia entre distintos *a'ricantes de rel$s de protecci#n recomendando las protecciones con &e se peden dotar los alternadores se"n potencias( A continaci#n les mostraremos al"nas recomendaciones "enerales3
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Protecciones en "eneradores GM;A Potencia inversa +<6,( So'reintensidad +G8G9,( Má2ima tensi#n +GQ,( Mínima tensi#n +6,( -alla a tierra red e2terior(
Protecciones en "eneradores de 68 0 988 M;A
Di*erencial del "enerador +H,( Potencia inversa +<6,( Tierra del estator al QGJ +=,( So'retensi#n +GQ,( Car"a des'alanceada +=,( Tierra en el rotor +=-,( Mínima impedancia +69,( P$rdida de e2citaci#n +8,(
Protecciones en "eneradores [<88 M;A
Di*erencial del "enerador +H,( Potencia inversa +<6,( Tierra del estator alQGJ =, So'retensi#n +GQ,( S'*recencia +H9,( Tierra del estator al 988J +=,( Tierra en el rotor( Mínima impedancia P$rdida de e2citaci#n( Car"a des'alanceada +=,( So'ree2citaci#n +6,( So'retemperatra estator +Q, So'reintensidad del rotor(
Al"nas *nciones de protecci#n peden estar dplicadas con rel$s i"ales o di*erentes o 'ien con rel$s c%a !ona de actaci#n conten"a a otra en s interior por e.emplo el di*erencial del "enerador % el di*erencial del 'lo&e) protecci#n del QGJ del estator % del 988J( Se denominan redndancias(
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PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA 12.9.
PROTECCIÓN DE MOTORES SÍNCRONO Los motores síncronos se tili!an en casos en los cales es imprescindi'le
mantener
constante
la
velocidad
del
rotor
independientemente de cam'ios de par resistente( La tili!aci#n de e&ipos m% precisos de re"laci#n de velocidad para ma&inas asíncronas 7ace cada ve! menos necesario el empleo de motores síncronos más caros &e los anteriores( La má&ina síncrona como otras má&inas el$ctricas rotativas pede *ncionar como "enerador o como motor) en este caso la *(e(m( interna creada por la intensidad de e2citaci#n +Eo, retrasa con respecto a la tensi#n en 'ornes) eso corresponde *ísicamente a &e el rotor retrasa n án"lo interno respecto al campo "iratorio resltante( 1n aspecto a considerar en la protecci#n del motor síncrono es el m$todo de arran&e) e2isten varios procedimientos3 a. Con motor auxiliar:
El rotor) sin car"a mecánica acoplada) es arrastrado por medio de n motor a2iliar) este pede ser de c(c o c(a) el rotor es llevado a na velocidad pr#2ima a la de sincronismo % en esa sitaci#n se prodce la sincroni!aci#n por los medios 7a'itales +do'le voltímetro) do'le *recencímetro) sinocroscopio) etc(, b. Arranque asíncrono:
El motor arranca como n motor asíncrono 7asta na velocidad in*erior a la de sincronismo) cando la di*erencia de velocidad+desli!amiento,es pe&e:a se conecta la e2citaci#n) lo &e prodce n par sincroni!ante &e lleva al rotor a la velocidad de sincronismo) el arran&e asíncrono pede reali!arse3
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Por medio de devanados
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Por medio del circito indctor cerrado so're na resistencia elevada
c. Con arrancador progresivo
El motor en vacío se conecta a na *ente &e proporciona na tensi#n % *recencia creciente con lo &e el rotor acelera savemente 7asta la velocidad síncrona) na ve! alcan!ada se desconecta de la *ente a2iliar % se sincroni!a con la alimentaci#n( En lo &e respecta a las protecciones) la del estator es i"ales a la de los motores asíncronos % a las de los alternadores síncronos de i"al o similar potencia) protecci#n di*erencial) protecci#n de so'reintensidad t$rmica) detectores t$rmicos incorporados) protecci#n contra corrientes dese&ili'radas( La protecci#n de so'reintensidad contra cortocircitos internos 7a de tener en centa el procedimiento de arran&e % en s caso ser a.stada por encima de la corriente de arran&e asíncrona o de la corriente sincroni!ante &e se prodce cando la manio'ra de sincroni!aci#n se 7ace sin ser e2actamente i"ales en modlo) *ase % *recencia la tensi#n de alimentaci#n % la interna del motor( d. Protección contra pérdida de sincronismo:
@asada en detectar na corriente alterna sperpesta a la corriente contina del circito de e2citaci#n) la corriente alterna está prodcida por la *(e(m( indcida de'ido al movimiento del rotor respecto al campo "iratorio del estator( e. Protección de mínima potencia:
Cando el motor es la nica car"a de las 'arras) la perdida de alimentaci#n spone la anlaci#n de la potencia consmida( El a.ste de'e de 7acerse a n valor in*erior de las perdidas mecánicas cando tra'a.a en vacío( f. Protección de potencia inversa:
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PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA
+En este caso actando en el sentido de potencia saliente, cando 7a% otras car"as en paralelo con el motor % sscepti'les de ser alimentadas desde el actando como "enerador( g. Protección de sobretensión:
Si la tensi#n interna es sperior a la tensi#n de red % se &eda sin alimentaci#n) la tensi#n en 'arras amenta( . Protección de mínima frecuencia:
Al &edar sin alimentaci#n el motor pierde velocidad % dismin%e la *recencia de la tensi#n interna) esta p$rdida es más 'rsca cando el motor está en car"a &e cando está en vacío(
13. PROTECCIÓN DE 6ARRAS 13.1. INTRODUCCIÓN Las 'arras son el e&ivalente a los nodos en n circito( Con/%en diversos elementos como las líneas de distintas partes( Zaremos re*erencia a 'arras de s'estaciones de A(T( Las s'estaciones se peden clasiFcar de la si"iente manera3 !ipo A. S'estaciones de intercone2i#n) nen líneas a la misma tensi#n
+transporte,( !ipo ". S'estaciones de intercone2i#n pero con trans*ormaci#n de
tensi#n a n nivel in*erior( !ipo C. Estaciones de trans*ormaci#n pra(
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PROTECCIÓN DE SISTEMAS DE POTENCIA !ipo #. S'estaciones de central(
A continaci#n se descri'en distintos tipos de conF"raci#n3
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13.2.
DIFERENCIAL DE 6ARRAS
La protecci#n más tili!ada en 'arras de A(T es la di*erencial +esta protecci#n sin em'ar"o no es aplica'le a la conF"raci#n en anillo,\ como en todo tipo de protecci#n di*erencial s *ndamento es &e en condiciones sanas del elemento a prote"er +no de*ecto o de*ecto e2terno a la !ona prote"ida, la corriente entrante es la misma ala &e
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sale en las 'arras % &e esta sitaci#n cam'ia cando se prodce na *alla en la !ona prote"ida( En el caso de 'arras la !ona prote"ida incl%e los I(A % los T(I &e alimentan a la protecci#n de'en de sitarse en la parte del I(A más ale.ada de 'arras( La ocrrencia de na *alla en la !ona prote"ida de'e de ser despe.ada a'riendo todos los I(A inclidos en la !ona de protecci#n mientras &e na *alla e2terna a lo smo de'e de prodcir la apertra del I(A &e pertene!ca simltáneamente a la !ona de protecci#n de 'arras % de la línea en *alla(
13.2.1. P$otecc",# *"fe$e#c")'
*e 0)) "-+e*)#c") o
*e
e!"'"0$"o *e co$$"e#tes. En la F"ra se representa nas 'arras +na *ase, &e interconectan tres secciones de n sistema de A(T) +en "eneral peden 7a'er n, cada na de ellas pede contar con *entes de alimentaci#n a n de*ecto &e vendrían determinadas por el e&ivalente T7$venin de ss e2tremos respectivos(
Los sentidos indicados de las corrientes a na posi'le sitaci#n de intercam'io de potencia) en la "ráFca se spone n /.o de potencia desde la *ente 9 7acia 6 % < con corrientes I9V<888A) I6V9888A) I
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En ese estado de car"a la corriente en el rel$ se anla o es tan pe&e:a como sea posi'le) pes en los secndarios de los T(I no 7a% na reprodcci#n e2acta de las corrientes primarias) siempre 7a% error( Los
T(I
de'en
cmplir
con
na
trans*ormaci#n) ss características
misma
relaci#n
de
de r(t i"ales) *actor de
so'reintensidad) etc( La lon"itd de los ca'leados secndarios 7asta el rel$ presente la misma resistencia( La protecci#n di*erencial de 'a.a impedancia pede ir dotado de circitos de *renado en la F"ra se representa dos opciones) en el caso a, se dispone de n circito de *renado para cada na de las cone2iones al rel$ pero presenta el inconveniente &e si 7a% mc7os circitos no reslta practico) en el caso ', el *renado se reali!a en n nico circito alimentado por la corrientes secndarias rectiFcadas) s sma no será nnca nla) mientras &e la operaci#n es *nci#n de la sma *asorial de las corrientes secndarias alternas(
13.2.2. I#co#5e#"e#tes *e ') +$otecc",# *"fe$e#c")' *e 0)) "-+e*)#c")
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Todo lo anterior resltaría eFca! si el comportamiento de los T(I *era ideal % la corriente en el secndario *era na copia Fel de la primaria(
La satraci#n pede a*ectar m% ne"ativamente al comportamiento de la protecci#n di*erencial de 'a.a impedancia) cando la corriente de e2citaci#n dismin%e por de'a.o del valor correspondiente al codo de satraci#n el valor de la indctancia es m% elevada % se prodce na rápida variaci#n de /.o con la corriente 7asta &e en el si"iente semiciclo de la corriente de e2citaci#n se velve a alcan!ar el valor correspondiente al codo en &e nevamente la variaci#n de /.o es nla( 1na consecencia de las *ertes variaciones de /.o es la aparici#n de valores plsantes de la *(e(m alrededor de valores nlos de la corriente de e2citaci#n con valores de pico elevado e inclso peli"roso para la inte"ridad de los T(I(
13.3. PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE MEDIA O ALTA IMPEDANCIA 13.3.1. Est)0"'"*)* )#te f)'t)s ete$#)s La protecci#n di*erencial de media o alta impedancia aprovec7a en 'eneFcio de la se"ridad el 7ec7o de &e al"n T(I se satre) *or!ando a &e la corriente procedente de los restantes se cierre( En la F"ra se representa la condici#n de satraci#n )si la resistencia del T(I satrado más la del ca'leado pasa a ser m% in*erior a la &e presenta la protecci#n entonces toda la corriente se cierra por el T(I satrado con lo cal no se prodce la actaci#n manteni$ndose la esta'ilidad ante na *alla e2terna( E2isten dos procedimientos para esta *orma de protecci#n indicados en la F"ra3 -IEE 0 1NCP
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En la F"ra el rel$ tli!ado es de tipo amperimetrico+'a.a impedancia, al &e se opone en serie na resistencia de esta'ili!aci#n(sponiendo para concretar &e el a.ste del rele es de 9] es decir el rele actara siempre &e por el pase por lo menos na corriente de 9 A )eso correspondería en n sistema de 'a.a impedancia +sin resistencia de esta'ili!aci#n, a na corriente de de*ecto interna de =88A apro2imadamente lo &e se trata es determinar cal de'e ser el valor de la resistencia de esta'ili!aci#n para &e en caso de *alta e2terna mas des*avora'le la corriente en el rele no alcance el valor de 9A (
En la F"ra el rel$ es de tipo voltímetrico) s impedancia interna es m% alta % la corriente &e toma es desprecia'le) se spone &e toda la corriente &e sministran los T(I 9 % < se cierra por el T(I satrado(
13.3.2. Act!)c",# )#te !#) f)'t) "#te$#) La ocrrencia de la *alla interna spone dos cosas importantes3 Las corrientes primarias en los T(I actan de *orma &e tratan de in%ectar ss corrientes secndarios en la protecci#n( La corriente primaria a trav$s de cada T(I es la adoptada por s propia *ente de alimentaci#n al cortocircito % no sma de aportaciones Se ve &e para proporcionar na corriente sFciente para la actaci#n se re&iere n nivel de tensi#n elevado en el circito del rel$ % esa tensi#n solo pede ser proporcionada por los T(I a 'ase de na corriente de e2citaci#n si"niFcativa) por lo tanto la intensidad en el circito del rel$ nnca podrá alcan!ar el má2imo te#rico sino n valor nota'lemente in*erior( Para la actaci#n es sFciente &e la tensi#n sea sperior al valor correspondiente al ocasionada por la corriente de a.ste -IEE 0 1NCP
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circlando en rel$ % resistencia de esta'ili!aci#n % an&e los rel$s se satren cíclicamente por ser la car"a secndaria m% sperior a la car"a de precisi#n) la tensi#n o'tenida es más &e sFciente para &e por el rel$ circle na corriente &e prod!ca s actaci#n( En caso de rel$s voltímetros el r$"imen de los T(I en caso de *alta intensa e similar al de circito a'ierto ) en este caso se prodce satraci#n por alta impedancia de car"a )para limitar los picos de tensi#n se pone en paralelo con el rel$ n varistor )resistencia varia'le con la tensi#n) de *orma &e a ma%or tensi#n aplicada menor se 7ace se resistencia % más corriente circla por ella) con lo cal se dismin%en los picos de tensi#n a valores admisi'les por los aislamientos % se dismin%e la intensidad de e2citaci#n manteniendo sin em'ar"o en el rel$ na tensi#n &e permite s actaci#n se"ra( Para *altas internas comprendidas entre el valor mínimo % n valor tal &e 7a"a tra'a.ar a los T(I en el codo de satraci#n +si se conocen las características de los T(I % la resistencia del ca'leado el valor de *alta se pede determinar, los T(I no se satran % prodcen na tensi#n senoidal sFciente para prodcir la actaci#n de la protecci#n( En resmen la protecci#n di*erencial de 'arras de media o alta impedancia reslta más se"ra +esta'le, ante *altas e2ternas &e la de 'a.a impedancia an&e es menos sensi'le &e esta ante *altas internas siendo la *alta mínima detecta'le sperior( Para *altas internas comprendidas entre el valor mínimo % n valor tal &e 7a"a tra'a.ar a los T(I en el codo de satraci#n+si se conocen las características de los T(I % las resistencias del ca'leado el valor de *alta se pede determinar,los T(I no se satran % prodcen na tensi#n senoidal sFciente para prodcir la actaci#n de la protecci#n\ para *altas internas m% elevadas se prodce satraci#n por casas de &e la impedancia del circito del rel$ es m% sperior a la car"a de precisi#n del T(I sin em'ar"o an&e la tensi#n pede de.ar de ser senoidal alcan!a n valor mas &e sFciente para &e se prod!ca la actaci#n del rel$(
13.4. COM6INACIÓN DE BONAS DE PROTECCIÓN La actaci#n de na nica protecci#n de 'arras tiene como consecencia la apertra de todos los interrptores atomáticos &e -IEE 0 1NCP
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conectan los distintos circitos lo &e pede prodcir na p$rdida masiva de servicio(
Para evitar esta sitaci#n cando el nmero de circitos conectados a nas mismas 'arras es elevado se pede prodcir na a"rpaci#n de circitos % na partici#n de 'arras mediante n I(A( tal como se indica en la -i"( anterior( El *ncionamiento normal es con el I(A( de 'arras cerrado) la aparici#n de na *alta en la secci#n A o @ prodce la apertra de los I(A( de la !ona
en
*alta
%
del
I(A(
de
acoplamiento)
este
pertenece
simltáneamente a las dos !onas de protecci#n) pdi$ndose mantener cerrados los I(A( de la otra secci#n(
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