INTRODUCCION A LA PROTECCION POR RELEVADORES RELEVADOR Dispositivo electrico o electronico que opera bajo ciertas condiciones de entr entrad ada a (señ (señal ales es de corr corrie ient nte, e, tens tensio ion, n, frec frecue uenc ncia ia,, etc. etc.)) Y al cumpli cumplirse rse estas estas condic condicio iones nes respon responde de efect efectua uando ndo cambi cambios os en la operacion de contactos modificando circuitos de control electrico. FUNCION DE LA PROTECCION POR RELEVADORES Los Los sist sistem emas as de prot protec ecci cion on esta estan n cons constititu tuid idos os por por un grup grupo o de órga órgano noss llam llamad ados os rele releva vado dore res. s. La func funcio ion n de tal tal prot protec ecci cion on por por rele releva vado dore res, s, es orig origin inar ar el reti retiro ro rápi rápido do del del serv servic icio io de cual cualqu quie ier r elemento de un sistema de potencia, cuando este sufre un cortocircuito o cuando empieza a funcionar en cualquier forma anormal que pueda originar daño o interfiera de otra manera con el funcionamiento funcionamiento eficaz del resto del sistema de potencia. El equipo de proteccion esta ayudado, en esta tarea, por interruptores que son capaces de desconectar el elemento defectuoso cuando el equipo de proteccion se los manda. Los interruptores estan localizados de tal manera que cada generador, transf transfor ormad mador, or, barra barra colect colector ora, a, línea línea de transm transmisi isión, ón, etc., etc., pueda pueda desconectarse por completo del resto del sistema. Estos interruptores debe deben n tene tenerr la capa capaci cida dad d sufi sufici cien ente te para para que que pued puedan an cond conduc ucir ir momentáneamente la corriente máxima de cortocircuito que puede fluir a través de ellos, e interrumpir entonces esta corriente; deben soportar también el cierre de un cortocircuito semejante e interrumpir lo. Una función secundaria de la protección por relevadores es indicar el sitio y tipo de falla (tales como trifásica, entre fases o de fase a tierra). Para proteger a las líneas, transformadores y generadores. Contra el cor cortoci tocirrcuito ito, existe isten n dos grupos upos de dich icho equi equip po: uno que. Llamaremos proteccion primaria y la otra protección de respaldo. La protección primaria es la primera linea de defensa, mientras que las funciones de la proteccion de respaldo solo se dan cuando falla la proteccion primaria.
La proteccion primaria puede fallar debido a una falla en cualquiera de los siguientes puntos: . 1.- Corriente o tension de alimentacion de los reles. 2.- Disparo de la tension de alimentacion de corriente directa. 3.:- Relevadores de proteccion. 4.- Circuito de disparo mecanism0 del interruptor. 5.- Interruptor. Es muy deseable que la proteccion de respaldo este dispuesta de tal manera que cualquier cosa que pueda originar la falla de la proteccion primaria, no origine tambien la falla de la proteccion de respaldo. CARACTERISTICAS FUNCIONALES DE LA PROTECCION POR RELEVADORES. Los reles de proteccion o sistemas de protecciones se requieren para operar en condiciones anormales del sistema de potencia, o sea que son equipos que supervisan la operacion normal, pero deben estar disponibles inmediatamente para manejar situaciones anormales. De esta manera la verdadera operacion de estos reles en toda su vida util es de pocos segundos, aunque permanezcan concectados por años en los sistemas de potencia. Hay reles que operan mas por pruebas y mantenimiento que por los Propios requerimientos del sistema. . Los esquemas de proteccion deben ser capaces de desconectar rapidamente el elemento fallado, ademas de tener la sensibilidad, selectividad y alto grado de confiabilidad requeridos. La desconexion rapida de un elemento fallado, minimiza el daño al equipo, reduciendo el tiempo necesario para su reparacion. Sensibilidad: es la habilidad de los relevadores y sistemas de proteccion para detectar todas las fallas dentro de los limites del sistema y de las condiciones de falla esperadas. Selectividad: Es la habilidad de los relevadores y sistemas de
proteccion para discriminar entre fallas dentro de la zona protegida y las fallas externas u otras condiciones del sistema. Confiabilidad: Es una medida del grado de certeza que el relevador o el esquema de proteccion se va a comportar correctamente durante una falla en el sistema de potencia. En proteccion, la confiabilldad esta formada por dos elementos: 1.- Dependabilldad 2.- Seguridad 1) Dependabilidad: Es la habilidad de un esquema de proteccion para operar cuando se requiere. Esta es uno de los requerimientos mas importantes para cualquier esquema de proteccion ya que la no operacion de un equipo de proteccion puede causar una destruccion completa de un elemento del sistema o el colapso total del sistema de potencia. Hay varios factores que afectan directamente la dependabilidad. Tal vez, el factor mas importantes es el diseño de los esquemas de proteccion. Las unidades de proteccion y los esquemas seleccionados deben tener las caracteristicas necesarias y la sensibilidad requerida para detectar todas las fallas dentro de los limites esperados del sistema y en todas las condiciones de falla. Además los sistemas de control y proteccion deben ser diseñados para que las condiciones ambientales adversas que puedan existir en las subestaciones no causen fallas en los sistemas de proteccion. Otro factor es la disponibilidad del equipo de proteccion, si el equipo no esta disponible para llevar a cabo su funcion en el momento que se necesita, entonces la dependabilldad del sistema de proteccion se reduce. El mantenimiento es un factor que afecta la disponibilidad. El equipo que requiera ajustes periodicos, limpieza de contactos, etc. no estara disponible para proteger durante los periodos de mantenimiento. En este aspecto, un alto grado de disponibilidad se puede lograr usando componentes y relevadores de estado solido.
La experiencia a la fecha con los relevadores estaticos indica que se requiere un mantenimiento menor. La dependabllidad se puede mejorar con la cantidad y arreglo del equipo, si dos juegos de equipo de proteccion de alta velocidad se arreglan de tal manera que cualquiera de ellos pueda llevar a cabo las funciones de proteccion, entonces se mejora la dependabllidad general. Seguridad: es la habilidad de los esquemas de proteccion para nunca operar en forma incorrecta. La seguridad de los esquemas de proteccion, puede ser afectada adversamente por los transitorios en los transformadores de corriente y de potencial, por las ondas producidas por conmutacion en los sistemas de alto voltaje y en los circuitos de control de corriente directa y tambien por la interferencia de radio frecuencia. La seguridad completa del sistema de proteccion puede mejorarse enormemente usando esquemas de proteccion que sean diseñados para llevar a cabo sus funciones en ambientes adversos de la subestacion. Las fallas que se pueden producir en las instalaciones electricas son: corlocircuitos, sobretensiones, sobrecargas y desequllibrios. Las fallas se pueden clasificar en:
A).- fallas permanentes. B).- fallas transitorias. El objetivo de las protecciones es la de reducir la duracion de las fallas cuando estas se presentan. Al ocurrir una falla en cualquier instalacion electrica, esta tiende a modificar las tensiones y las corrientes en los aparatos afectados por ella.
Las magnitudes que actuan sobre las protecciones deberan estar ligadas a estas tensiones y corrientes, puesto que, en el caso de una instalacion trifasica, las tres tensiones y las tres corrientes, son las unicas cantidades electricas de las cuales se disponen para caracterizar el estado de la instalacion. COMO FUNCIONAN LOS RELEVADORES DE PROTECCION. Todos los relevadores usados para proteccion de cortocircuitos, funcionan en virtud de la corriente y/o tension proporcionada a estos por los transformadores de corriente y tension conectados en diversas combinaciones al elemento del sistema que va a protegerse. Por cambios individuales o relativos en estas dos magnitudes las fallas señalan su presencia, tipo y localizacion a los relevadores de proteccion. Para cada tipo y localizacion de falla, hay alguna diferencia característica en estas magnitudes asi como varios tipos de equipos de proteccion disponibles, cada uno de los cuales esta diseñado para reconocer una diferencia particular y funcionan en respuesta a esta. Existen mas diferencias posibles en estas magnitudes de las que uno pueda sospechar. Las diferencias en cada magnitud son posibles en una o mas de las que a continuacion se detallan: A) Magnitud B) Frecuencia C) Angulo de fase D) Duracion E) Razon de cambio F) Direccion u orden de cambio G) Armonicas o forma de onda. PRINCIPIOS Y CARACTERISTICAS FUNDAMENTALES FUNCIONAMIENTO DE LOS RELEVADORES.
DEL
Todos los relevadores funcionan en respuesta a una o mas magnitudes electricas, ya sea cuando decimos que un relevador opera entendemos que cierra o abre sus contactos.
La mayoria de los reles tienen un resorte de control o estan restringidos por gravedad, de tal manera que estos asumen una posicion dada cuando estan completamente sin alimentacion. Cuando un rele funciona para abrir o cerrar un contacto, decimos que se pone en trabajo, y el valor minimo de la magnitud que originara tal funcionamiento se le conoce como" valor de puesta en trabajo” o pickup En general un rele de proteccion esta provisto con un indicador que muestra cuando ha funcionado el rele para disparar un interruptor. Dichos indicadores son elementos coloreados de un modo caracteristico y son puestos en funcionamiento por el movimiento de un mecanismo llamado de accionamiento del rele, o electricamente por el flujo de corriente de contacto y sale a la vista cuando funciona el rele. Estan dispuestos para reponerse manualmente después de que se ha notado su indicacion y quedar listos para el siguiente funcionamiento. El funcionamiento de los relevadores se rigen por dos principios fundamentales diferentes que son: 1).- Atraccion electromagnetica. 2).- Induccion electromagnelica. RELEVADOR DE ATRACCiÓN ELECTROMAGNÉTICA. Se utiliza básicamente en la construcción de relevadores de sobrecorriente instantáneos. Generalmente es un electroimán cuya bobina es alimentada por un transformador de corriente. El émbolo construido de material ferromagnético, es atraído por el flujo en el entrehierro ó mantenido en reposo (restricción) por la acción de un resorte ó gravedad, como lo indica la figura siguiente.
RELEVADOR DE INDUCCiÓN ELECTROMAGNÉTICA. El relevador de sobrecorriente de inducción electromagnética es un motor de inducción de fase auxiliar con contactos. La fuerza actuante se desarrolla en un elemento móvil, que es un disco de material no magnético conductor de corriente, por la interacción de los flujos electromagnéticos con la corriente parásitas (de Eddy) que se inducen en el rotor por estos flujos. Los relevadores más utilizados tienen la estructura del tipo watthorímetro. El rotor que es un disco, en su flecha se encuentra alojado un contacto móvil, en el armazón del relevador se localiza el contacto fijo. La mayor ó menor separación de los contactos se obtienen ajustando el ó la palanca y por consiguiente el tiempo de operación del relevador .
RELEVADOR ELECTROMECANICO DEL TIPO DE DISCO DE INDUCCIÓN
Un resorte en forma de espiral, cuyos extremos sé encuentran, fijados a la flecha ó disco y a una sección estática del relevador , proporciona al disco un par de reposición ó antagónico. Cuando el par de reposición del disco es ligeramente menor al par producido por la corriente que alimenta al relevador, el disco se "arranca". Al valor de ésta corriente expresada en amperes es conocido como el "pick-up" del relevador. Por otra parte este tipo de relevadores tienen disponible un rango de taps o derivaciones de la bobina de corriente. La regleta de Taps alojada en la parte superior del relevador, tiene un número determinado de orificios con rosca. Uno para cada derivación de la bobina que es conectada al TC. Por medio de un tornillo se selecciona el tap del relevador, y el valor de éste representa la corriente mínima de operación. Es decir, el tap seleccionado corresponde a la corriente secundaria capaz de "arrancar" al relevador.
La corriente primaria de arranque es el producto de: Ipick-up = Tap x RTC Donde: Ipick-up : Corriente primaria de arranque RTC : Relación de transformación de corrientes. Tap : Ajuste de corriente secundaria del relevador. Aunque la mayoría de los relevadores dispone de un amplio rango de Taps, se recomienda hasta donde sea posible no ajustar al relevador en un tap mayor de 5 amperes, en razón de proteger el circuito secundario del TC, al prevenir su saturación evitando la circulación de corrientes superiores a la nominal secundaria durante periódos prolongados de tiempo. De esta manera el TC queda protegido por el propio relevador. Montado sobre el eje del disco se encuentra el contacto móvil. En la parte superior del eje, se tiene fijado un dial numerado de O a 10 (dependiendo del fabricante la numeración también puede ser de O a 11, o de O a 1.0). La posición del dial determina la separación entre los contactos (fijo y móvil) del relevador. A este ajuste se le conoce como "PALANCA" y permite establecer un juego de curvas tiempo-corriente similares.
RELEVADOR DE SOBRECORRIENTE ESTÁTICO. Los primeros diseños de relevadores estáticos se desarrollaron en la década de los 70's, fueron basados en la alta confiabilidad del transistor planar de silicio, esto marcó el inicio para el desarrollo de los circuitos integrados, compuertas digitales y circuitos lógicos; le siguieron circuitos digitales y más tarde memorias y microprocesadores. Con estos componentes se mejoraron las características de velocidad, sensibilidad, inmunidad a vibraciones, reducción en sus dimensiones y
libre de mantenimiento. Las funciones de estos relevadores son semejantes a las obtenidas con los del tipo electromecánico, a pesar de que los relevadores estáticos carecen de partes móviles, la terminología relativa al ajuste y operación es similar a la empleada en los relevadores electromecánicos. Los relevadores de sobrecorriente utilizan los siguientes circuitos básicos: - Rectificador, cuya función es convertir una entrada de corriente
alterna en una señal de voltaje, capaz de ser medida y comparada.
- Detector de nivel, el cual compara una entrada analógica con un
nivel prefijado, el cual responde con una salida analógica cuando este nivel es excedido.
- Temporizadores para demorar a manera constante ó propocional la entrada analógica de corriente Cada uno de estos circuitos, configuran una parte de los relevadores de sobrecorriente con retardo de tiempo, ilustrado en el diagrama de bloques de la figura
RELEVADOR DEL TIPO ESTATICO
RELEVADOR DE SOBRECORRIENTE MICROPROCESADO. Con la aplicación de microprocesadores se han desarrollado relevadores que además de cumplir con las funciones de protección, efectúan otras adicionales como son; medición, registro de eventos, localización de fallas y oscilografía. Lo anterior se realiza mediante el muestreo y manipulación de los parámetros eléctricos, los cuales son utilizados en forma numérica para resolver cada uno de los algoritmos que calcula el microprocesador para cumplir con las tareas anteriormente descritas. Estos relevadores son trifásicos y en un solo módulo están contenidas las unidades de fase y de neutro, reduciendo considerablemente sus dimensiones y el espacio ocupado por ellos en los tableros de control, medición y protección. Los relevadores microprocesados están constituidos básicamente de la siguiente manera: - Unidades de entrada analógicas: corriente. - Unidades de entrada digitales: contactos del interruptor, etc. - Filtro pasa bajas. - Fuente de alimentación. - Microprocesador para funciones de protección. - Microprocesador para funciones de medición. - Memoria RAM para registro de eventos. - Memoria EEPROM para grabar ajustes. - Unidades de salida: contactos de disparo y alarma. - Puertos de comunicación. - Display y teclado. - Leds para señalización de banderas y piloto de encendido. - Unidad de autodiagnóstico y monitoreo.
RELEVADOR DEL TIPO DIGITAL O MICROPROCESADO
Algunos relevadores tienen accion retardada ajustable, y otros son instantaneos o de alta velocidad. el termino instantaneo significa que no tiene accion retardada intencional y se aplica a relevadores que funcionan en un tiempo minimo de aproximadamente 0.1 seg. El termino alta velocidad indica funcionamiento en menos de 0.1 seg. Aproximadamente y, por lo general, en 0.05 seg. o menos. El tiempo de funcionamiento para relevadores de alta velocidad esta expresado en ciclos y se basa en la frecuencia del sistema de potencia; por ejemplo, un ciclo seria 1/60 seg. En un sistema de 60 herlz. La accion retardada se obtiene en el caso de relevadores del tipo de induccion por un iman de arrastre, que es un iman permamente dispuesto de tal manera que el rotor del relevador corta el flujo entre los polos del mismo iman, esto produce un efecto retardante en el movimiento del rotor en cualquier direccion. La terminologia para expresar la forma de la curva del tiempo de funcionamiento contra la magnitud de influencia ha sido afectada tambien por el desarrollo a traves de los años. Originalmente, solo fueron utilizados los terminas tiempo definido y tiempo inverso.
CURVAS CARACTERÍSTICAS TIEMPO-CORRIENTE Una curva de tiempo inverso es aquella en la cual el tiempo de funcionamiento viene a ser menor a medida que el valor de la magnitud de influencia se incrementa. Cuanto mas pronunciado es el efecto, mas inversa se dice que es la curva. Una curva de tiempo definido es aquella en la cual el tiempo de funcionamiento no es afectado por el valor de la magnitud de influencia.
ZONAS DE PROTECCiÓN. Para una adecuada aplicación de dispositivos de protección, es necesario considerar los siguientes factores: - Configuración del sistema - Impedancias del equipo primario y su conexión - Tensión del sistema - Procedimiento y prácticas operativas - Importancia del elemento del sistema a proteger - Estudio de cortocircuito - Análisis de cargas o flujos de potencia - Conexión, localización y relación de transformadores de corriente y potencial -Tipo de falla (trifásica, de una fase a tierra, etc.) -Crecimiento de la carga y del sistema En base al análisis de cada uno de los factores anteriores se pueden definir las zonas de protección necesarias para cada elemento del sistema de eléctrico. Las "Zonas de protección" se definen como el área de cobertura de un dispositivo de protección, el cual protege uno o más componentes del sistema eléctrico en cualquier situación anormal o falla que se presente. Las Zonas de protección se disponen de manera que se traslapen para que ninguna parte del sistema quede sin protección, la figura siguiente muestra un sistema de distribución con las siguientes zonas de protección traslapadas. - Zona de protección de líneas de subtransmisión (1) - Zona de protección de barras de alta tensión (2) - Zona de protección de transformadores de potencia (3) - Zona de protección de barras y circuito de media tensión (4) - Zona de protección de circuitos de distribución (5) - Zona de protección de transformadores de distribución y circuitos secundarios (6) - Zona de protección de transformadores de distribución, circuitos secundarios y acometidas en baja tensión (7)
La figura anterior muestra los equipos de seccionamiento localizados en las interconexiones entre elementos del sistema eléctrico, esta previsión hace posible desconectar solo el elemento fallado, a veces al omiti(se un dispositivo de seccionamiento entre dos elementos adyacentes, se tendrá una desconexión de ambos cuando se presente una falla en cualquiera de los dos. En una zona cada dispositivo de protección realiza una función específica y responde en forma particular a cierto tipo de cambios en las magnitudes eléctricas de un circuito. En los sistemas de distribución y básicamente en circuitos de media y baja tensión, los equipos comúnmente utilizados son dispositivos contra cortocircuito. Estos dispositivos están clasificados en : protección primaria y protección de respaldo.
La protección primaria es la primera línea de defensa, mientras que la protección de respaldo solo actúa cuando falla la protección primaria, por lo general los sistemas de media y baja tensión son radiales, si bien la tendencia es a manejar sistemas mallados con dispositivos automáticos de seccionamiento, en la actualidad se manejan anillos abiertos con seccionamiento. Esto ha permitido que cuando ocurre un cortocircuito en el sistema de distribución la protección primaria y de respaldo inician normalmente su funcionamiento, permitiendo en primera instancia que el elemento en cortocircuito sea desconectado mediante la acción de la protección primaria sin que la protección de respaldo haya tenido tiempo de completar su función. En los sistemas de distribución, las protecciones primaria y de respaldo forman zonas de protección superpuestas, las cuales operan secuencialmente discriminando las fallas a diferentes tiempos de operación o diferente magnitud de corriente, esto permite tener selectividad, sensibilidad y velocidad en la operación que se requiera para la protección del sistema de distribución.
