PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE LA PROTECCION POR RELEVADORES Consideremos sólo por el momento el equipo de protección contra cortocircuitos. Hay dos grupos de dichos equipo: uno que llamaremos de protección primaria, y otro de protección de respaldo. r espaldo. La protección primaria es la primera primera línea de defensa, mientras que las funciones de la protección de respaldo sólo se dan cuando falla la protección primaria. PROTECCIÓN PRIMARIA La Fig. 1 muestra la protección primaria. La primera observación es que los interruptores están localizados en las conexiones de cada elemento del sistema de potencia. Esta provisión hace posible desconectar sólo el elemento defectuoso. A veces puede omitirse un interruptor entre dos elementos adyacentes, en cuyo caso ambos elementos deben desconectarse si hay una falla en cualquiera de los dos. La segunda observación es que sin saber en este momento cómo se realiza, se establece una zona de protección separada alrededor alrededor de cada elemento del sistema. sistema. El significado de esto es que cualquier cualquier falla que ocurra dentro de una zona dada originará el disparo (esto es, la abertura) de todos los interruptores dentro de esa zona, y de sólo esos interruptores. Es evidente que en caso de fallas en la región donde se superponen dos zonas adyacentes de protección, se dispararán más interruptores interruptores que el mínimo mínimo necesario para desconectar el elemento defectuoso. Pero si no hubiera superposición, una falla en una región entre zonas no estaría situada en ninguna de las dos zonas y, por lo tanto, no se dispararían los interruptores. La superposición es el menor de los dos males. La extensión de ésta es pequeña relativamente, y la probabilidad de falla en dicha región es baja; por lo mismo, el disparo de dos o más interruptores será casi nulo. Finalmente, se observará que las zonas adyacentes de protección de la Fig. 1 se superponen alrededor de un interruptor. Esta es la práctica preferida, porque en caso de fallas en todas las partes, excepto en la región de superposición, es necesario necesario que se disparen el número mínimo de de interruptores. Cuando se desea, por raza '.es económicas o de espacio, superponer sobre el lado de un interruptor, como sucede con frecuencia en aparatos blindados, el equipo de protección de la zona que superpone el interruptor debe arreglarse para que dispare no sólo los interruptores de esta zona, sino también uno o más interruptores de la adyacente, para desconectar completamente ciertas fallas. Esto se muestra en la Fig. 2, donde puede verse que para un cortocircuito en X, los interruptores de la zona B, que incluyen al interruptor C, se dispararán; pero dado que el cortocircuito está fuera de la zona A, el equipo de protección de la zona B debe disparar también ciertos interruptores en la zona A si esto fuera necesario para interrumpir el flujo de la corriente de cortocircuito de la zona A a la falla. Esta es una desventaja si hay una falla en X, pero los mismos interruptores se dispararán innecesariamente innecesariamente en la zona A para otras fallas en la zona B a la derecha del interruptor C. Si este disparo innecesario es objetable dependerá de la aplicación particular. PROTECCIÓN DE RESPALDO La protección de respaldo se emplea sólo para protección de cortocircuitos. Debido a que éstos son el tipo preponderante de falla del sistema de potencia, hay más posibilidades de que falle f alle la protección primaria en caso de cortocircuitos. cortocircuitos. La experiencia experiencia ha mostrado que la protección de de respaldo no es justificable económicamente para casos distintos de los cortacircuitos. Es necesaria una clara comprensión de las causas posibles de fallas de la protección primaria, para una mejor apreciación de las prácticas comprendidas c omprendidas en la protección de respaldo. Cuando decimos que la protección primaria puede faltar, entendemos cualquiera de las diversas cosas que pueden suceder para impedir a la protección primaria que origine la desconexión de una falla del sistema de potencia. La protección primaria primaria puede fallar debido a una falla en cualquiera cualquiera de los siguientes siguientes puntos:
A. Corriente O tensión de alimentación a los relevadores. E. Disparo de la tensión de alimentación de c-d. B. Disparo de la tensión de alimentación de c-d C. Relevadores de protección. D. Circuito de disparo o mecanismo del interruptor. E. Interruptor.
Es muy deseable que la protección de respaldo esté dispuesta de tal manera que cualquier cosa que pueda originar la falla de la protección primaria no origine también la falla de la protección de res paldo. Es evidente que este requisito se satisface completamente si los relevadores de respaldo están localizados de tal manera que no empleen o controlen cualquier cosa en común con los relevadores primarios que vayan a ser respaldados. En la medida de lo posible, la práctica es localizar los
relevadores de respaldo en una estación diferente. Considérese, por ejemplo, la protección de respaldo para la sección EF de la línea de transmisión de la Fig. 3.
Los relevadores de respaldo de esta sección de línea están normalmente dispuestos para disparar los interruptores A, E, I y] .Si el interruptor E fallara al disparar, para una falla en la sección de línea EF, se dispararían los interruptores A y E; los interruptores A y E y su equipo asociado de protección de respaldo, que están físicamente aparte del equipo que ha fallado, no son los idóneos para ser afectados al mismo tiempo, como podría suceder si se escogieran los interruptores C y D en su lugar . Los relevadores de respaldo en las localidades A, E y F proporcionan protección si ocurren fallas en las barras colectoras en la estación K. Los relevadores de respaldo en A y F proporcionan también protección para fallas en la línea DE. En otras palabras, la zona de la protección de respaldo se extiende en una dirección desde la localidad de cualquier relevador de respaldo y al menos superpone cada elemento de sistema adyacente. Donde las secciones adyacentes de líneas son de diferente longitud, los relevadores de respaldo deben sobre alcanzar algunas secciones de línea más que otras para proporcionar protección a la línea más larga. Un conjunto dado de relevadores de respaldo proporcionará protección incidental de clases para fallas en el circuito cuyo interruptor controla los relevadores de respaldo. Por ejemplo, los relevadores de respaldo que disparan el interruptor A de la Fig. 3 pueden actuar también como respaldo para fallas en la sección de línea AC. Sin embargo, esta duplicación de protección es sólo un beneficio accidental y no va a estar ligada a la de un arreglo convencional de respaldo cuando es posible dicho arreglo; para diferenciar a ambos, este tipo podría llamarse relevadores primarios duplicados. Una segunda función de la protección 'de respaldo es a menudo proporcionar protección primaria cuando el equipo que debería ocuparse de esto se encuentra fuera de servicio por mantenimiento o reparación. Es evidente, quizá, que cuando funciona la protección de respaldo, se desconecta una parte mayor del sistema que cuando funciona correctamente la protección primaria. Esto es inevitable si la protección de respaldo va a hacerse independientemente de aquellos factores que pueden originar que falle la protección primaria. Sin embargo, esto enfatiza la importancia del segundo requisito de la protección de respaldo, que ésta debe funcionar con suficiente acción retardada como para que se le dé a la protección primaria tiempo suficiente para funcionar si es capaz de hacerlo. En otras palabras, cuando ocurre un cortocircuito, ambas protecciones. Primaria y de respaldo, inician normalmente su funcionamiento; pero se espera que la protección primaria dispare los interruptores necesarios para- retirar el elemento en cortocircuito del sistema, y la protección de respaldo se repondrá sin haber tenido tiempo de completar su función. Cuando un conjunto de relevadores proporciona protección de respaldo a diversos elementos adyacentes del sistema, la protección
primaria más lenta de cualquiera de aquellos elementos adyacentes determinará la acción retardada necesaria para los relevadores de respaldo dados. En muchas ocasiones, es imposible atenerse al principio de la segregación completa de los relevadores de respaldo. Entonces se trata de alimentar los relevadores de respaldo de otras fuentes distintas de las que alimentan los relevadores primarios del elemento de sistema en cuestión, y también se intenta disparar otros interruptores; sin embargo, puede emplearse la misma batería de disparo en común, para ahorrar dinero y porque se le considera un riesgo menor. En casos extremos puede ser imposible aun proporcionar cualquier protección de respaldo; en tales casos, se da mayor énfasis a la necesidad de un mejor mantenimiento. De hecho, aun con protección de respaldo completa, hay más que ganar por el mantenimiento apropiado. Cuando falla la protección primaria, aunque funcione adecuadamente la protección de respaldo, el servicio sufrirá más o menos pérdidas. Por lo tanto, la protección de respaldo no es un sustituto apropiado para un buen mantenimiento. PROTECCIÓN CONTRA OTRAS CONDICIONES ANORMALES La protección por relevadores para casos distintos de los cortocircuitos se incluye en la categoría de protección primaria. Sin embargo, ya que las condiciones anormales que requieren protección son diferentes en cada elemento del sistema, se utiliza la disposición no universal de superposición de protección como en la protección de cortocircuito. En lugar de eso, cada elemento del sistema está provisto, independientemente, de la protección requerida sea cual fuere y ésta se encuentra preparada para disparar los interruptores necesarios, que pueden ser diferentes en algunos casos de los disparados por la protección de cortocircuito. Como se mencionó antes, la protección de respaldo no se emplea porque la experiencia no ha mostrado que sea económicamente justificable. Con frecuencia, sin embargo, la protección de respaldo para cortocircuitos funcionará cuando ocurran otras condiciones anormales que produzcan corrientes o tensiones anormales, y se proporciona con eso la protección de respaldo de clases. CARACTERÍSTICAS FUNCIONALES DE LA PROTECCIÓN POR RELEVADORES Sensibilidad, selectividad y velocidad "Sensibilidad", "selectividad" y "velocidad" son términos comúnmente utilizados para describir las características funcionales de cualquier equipo de protección por relevadores. Todos éstos están incluidos en las consideraciones anteriores de protección primaria y de respaldo. Cualquier equipo de protección debe ser suficientemente sensible para que funcione en forma segura cuando sea necesario, con la condición real de que produzca la tendencia de funcionamiento mínimo. Debe ser capaz de seleccionar entre aquellas condiciones en las que se requiere un funcionamiento rápido y aquellas en las que no debe funcionar, o se requiere funcionamiento de acción retardada. Y debe funcionar a la velocidad requerida. Debe conocerse qué tanto llena cualquier equipo de protección por relevadores cada uno de estos requisitos en cada aplicación. El objeto principal de la protección por relevadores es desconectar un elemento defectuoso de un sistema lo más rápido posible. La sensibilidad y la selectividad son esenciales para asegurar que sean disparados los interruptores apropiados, pero la velocidad es lo que cuenta. Los beneficios que van a ganarse con la velocidad se considerarán más adelante. CONFIABILIDAD Un requisito básico es que el equipo de protección por relevadores debe ser digno de confianza. Cuando la protección por relevadores no funciona adecuadamente, las características de reducción implicadas son muy inefectivas. Por lo tanto, es esencial que el equipo de protección por relevadores sea de suyo confiable y que su aplicación, instalación y mantenimiento aseguren que se aprovecharán al máximo.
La confiabilidad inherente es una cuestión de diseño basada en la larga experiencia. y es un tema mucho muy extenso y detallado como para tratarlo a fondo aquí. Otras cosas que son iguales, sim plicidad y robustez contribuyen ala confiabilidad, pero no son ellas mismas la solución completa. La mano de obra debe tomarse en cuenta también. La presión de contacto es una importante medida de la confiabilidad, pero los materiales de contacto y la provisión para impedir la contaminación de éste son tan completos como importantes. Estas son sólo unas cuantas de las muchas consideraciones de diseño que podrían mencionarse. La aplicación adecuada del equipo de protección por relevadores involucra una selección adecuada no sólo del equipo de re1evadores sino también de los aparatos asociados. Por ejemplo, la carencia de fuentes apropiadas de corriente y tensión para alimentar los relevadores puede comprometer, si no exponer, la protección. En contraste con la mayoría de los otros elementos de un sistema eléctrico de potencia, la protección por relevadores se mantiene inactiva la mayor parte del tiempo. Algunos tipos de equipos de protección pueden tener que funcionar sólo una vez en varios años. Los relevadores de líneas de transmisión tienen que funcionar más frecuentemente, pero aun así éstos pueden funcionar sólo varias veces por año. Esta falta de uso frecuente de los relevadores y su equipo asociado debe compensarse en otras formas para estar seguro de que el equipo de protección trabajará cuando venga su turno. Muchas empresas generadoras de energía eléctrica proporcionan su prueba y mantenimiento personal con un manual que la gente experimentada en la organización ha preparado y que es puesto al día a medida que se adquieren los nuevos tipos de relevadores. Un manual semejante específica el procedimiento mínimo de prueba y mantenimiento que la experiencia ha mostrado ser el deseado. El manual está preparado en parte por las publicaciones de los fabricantes y en parte por la experiencia de las empresas. Como una consecuencia de las técnicas normalizadas, pueden compararse los resultados de las pruebas periódicas para detectar cambios o deterioro en los relevadores y sus dispositivos asociados. Los probadores son alentados para hacer otras pruebas a medida que ellos se adaptan al hacer las pruebas requeridas por el manual. Si se proyecta una mejor técnica de prueba, ésta se incorpora al manual. Algunas organizaciones incluyen información sobre el propósito de los relevadores, para dar a su gente mejor apreciación de la importancia de su trabajo. Pueden darse cursos, también. Una actividad semejante es muy recomendable. A menos que ui1a persona esté completamente familiarizada con la prueba y mantenimiento del relevador puede hacer más mal que bien, y haría mejor si dejara al equipo solo. En algunos casos las pruebas reales de campo se hacen después de la instalación y de una cuidadosa prueba preliminar de los relevadores individuales. Estas pruebas de campo proporcionan un medio excelente para comprobar el funcionamiento de todo el equipo involucrado. El mantenimiento cuidadoso y el registro de datos, no sólo de las pruebas durante el mantenimiento sino también del funcionamiento del relevador durante el servicio real, son la mejor seguridad de que el equipo de protección está en condiciones apropiadas. La prueba de campo es la forma mejor conocida de comprobar el equipo antes de ponerlo en servicio, pero pueden surgir condiciones en el servicio real que no fueron anticipadas en las pruebas. La mejor seguridad de que los relevadores están aplicados y ajustados de un modo adecuado es un registro del funcionamiento correcto a través de un periodo suficientemente largo, para incluir las diversas condiciones de funcionamiento que pueden existir. Esto es, asegurando no sólo cuando un equipo de protección particular dispara los interruptores apropiados cuando debería hacerlo para una falla dada, sino también cuando otros equipos de protección se abstienen del disparo.
¿ESTÁN BASADAS LAS PRÁCTICAS DE PROTECCIÓN EN LA PROBABILIDAD DE FALLA? Las prácticas de protección están basadas en la probabilidad de la falla en el sentido de que las prácticas actuales son el resultado de años de experiencia, en los que la frecuencia de la falla ha jugado sin lugar a duda un papel. Sin embargo, la probabilidad de la falla rara vez, si acaso, entra directamente en la selección de un tipo particular de equipo de protección, excepto cuando por una u otra razón uno encuentra que la más difícil es aplicar el tipo que debería utilizarse. En cualquier caso, la probabilidad de falla sólo debería considerarse junto con las posibilidades de que ocurriera la falla. Se ha dicho que la justificación para una práctica dada iguala la probabilidad de veces el costo del disturbio. Haciendo caso omiso de la probabilidad de falla, ninguna parte del sistema debería estar completamente sin protección, aun cuando ésta sólo sea protección de respaldo. PROTECCIÓN POR RELEVADORES CONTRA UN OPERADOR DE ESTACIÓN La protección por relevadores "e encuentra algunas veces en competencia con los operadores de estación o asistentes. Se da este caso en la protección contra condiciones anormales que SE: desarrollan tan lentas como para que un operador tenga tiempo de corregir la situación, antes de que se desarrollen cualesquiera circunstancias particulares. Algunas veces, un operador alerta y hábil puede evitar el retiro de servicio de una importante pieza del equipo cuando la ausencia de ésta puede ser molesta; si se utiliza en dicha estación la protección por relevadores, es lo mismo que sonar una alarma. En cierto modo, la preferencia a depender de un operador tiene como respaldo alguna experiencia desafortunada con la protección por relevadores, cuando el funcionamiento inapropiado de éstos ocasiono dificultades; una actitud semejante es comprensible, pero no puede soportarse lógicamente. Cuando se requiere acción rápida v precisa para la protección de un elemento importante, es imprudente confiarse de un operador. Además, cuando ocurre un disturbio, el operador tiene otras cosas que hacer para las que en general está mejor capacitado. DISPARO INNECESARIO CONTRA FALLA DE DISPARO CUANDO SE DESEA A pesar de las reglas de la buena práctica de protección, uno tendrá que escoger ocasionalmente cuál regla puede romperse con la mínima molestia. Cuando uno debe escoger entre la posibilidad del disparo no deseado o innecesario y la falla de disparo cuando éste se desea, la mejor práctica es escoger la primera. La experiencia ha mostrado que donde la mayoría de los paros de sistemas han resultado de uno o de otro, la falla de disparo o bien retardo excesivo del disparo ha sido en alto grado la peor falta. LA EVALUACIÓN DE LA PROTECCIÓN POR RELEVADORES Aunque un sistema de potencia moderno no podría funcionar sin la protección por relevadores, esto no la hace apreciable. Como en toda buena ingeniería, la economía juega un papel muy importante. Aunque el ingeniero de protección puede justificar por la común desembolsos para la protección por relevadores sobre la base de una práctica normalizada, las circunstancias pueden alterar dichos conceptos, ya menudo viene a ser necesario evaluar los beneficios que van a lograrse. Esta no es una cuestión de si la protección por relevadores puede justificarse, sino hasta dónde podría uno invertir con la mejor protección disponible. Como todas las otras partes de un sistema de potencia, la protección por relevadores se evaluaría sobre la base de su contribución al mejor servicio económicamente posible a los consumidores. La contribución de la protección por relevadores es ayudar al resto del sistema de potencia a funcionar con la mayor eficiencia y efectividad posible frente a la falla." Como realiza esto la protección por relevadores es como sigue. Disminuyendo el daño cuando ocurren las fallas, la protección por relevadores reduce:
A. El costo de la reparación del daño. B. La probabilidad de que la falla pueda extenderse e involucrar otro equipo. C. El tiempo que el equipo está fuera de servicio. D. La pérdida en ingreso y la tirantez de las relaciones públicas mientras el equipo está fuera de servicio. Con el regreso oportuno del equipo al servicio, la protección por relevadores ayuda a reducir la cantidad del equipo de reserva requerido, ya que hay menor probabilidad de otra falla antes de que la primera pueda repararse. La habilidad de la protección por relevadores para permitir el uso más completo de la capacidad del sistema está mostrada enérgicamente por la estabilidad del sistema. La Fig. 4 muestra cómo influye la velocidad de la protección por relevadores en la cantidad de potencia que puede transmitirse sin pérdida de sincronismo cuando ocurren cortocircuitos.-l Más carga puede conducirse por un sistema existente, aumentando la velocidad de la protección por relevadores. Se ha mostrado que esta forma va a ser casi sin costo para incrementar el límite de estabilidad transitoria. Donde la estabilidad es un problema, la protección por relevadores puede evaluarse con frecuencia contra el costo de la construcción adicional de líneas de transmisión o estaciones de distribución. Se mostrarán más adelante otras circunstancias en las que ciertos tipos de equipos de protección por relevadores pueden permitir ahorros en interruptores y líneas de transmisión.
La calidad del equipo de protección por relevadores puede afectar los gastos de ingeniería al aplicar el equipo de protección mismo. El equipo que puede funcionar adecuadamente, aun cuando se hagan cambios futuros en el sistema o en su funcionamiento ahorrara más ingeniería futura y otros gastos relacionados.
Uno no debe concluir que el gasto justificable para un equipo dado de protección por relevadores es necesariamente proporcional al valor o importancia del elemento de sistema que va a ser protegido de un modo directo. Una falla en ese elemento de sistema puede afectar la capacidad para dar servicio del sistema completo y, por lo tanto, ese equipo de protección está protegiendo realmente el servicio del sistema completo. Algunos de los paros más serios han sido ocasionados por los efectos que provienen de una falla original en equipo de relativa importancia que no se protegió como se debía. ¿CÓMO FUNCIONAN LOS RELEVADORES DE PROTECCIÓN? Hasta aquí hemos tratado los relevadores mismos en una manera muy impersonal, diciendo lo que hacen sin tomar en cuenta cómo lo hacen. Esta parte fascinante de la historia de la protección por relevadores se expondrá con mucho más detalle más adelante. Pero, para redondear esta consideración general de la protección y preparar lo que va a venir, aquí está alguna explicación. Todos los relevadores utilizados para protección de cortocircuitos y muchos otros tipos, también funcionan en virtud de la corriente y/o tensión proporcionada a éstos por los transformadores de corriente y tensión 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 localización a los relevadores de protección. Para cada tipo y localización de falla, hay alguna diferencia característica en estas magnitudes así como varios tipos de equipos de protección por relevadores disponibles, cada uno de los cuales está diseñado para reconocer una diferencia particular y funcionan en respuesta a ésta. Existen más diferencias posibles en estas magnitudes de las que uno pueda sospechar. Las diferencias en cada magnitud son posibles en una o más de las que siguen: A. Magnitud B. Frecuencia. C. Angulo de fase. D. Duración. E. Razón de cambio F. Dirección u orden de cambio G. Armónicas o forma de onda Entonces, cuando tensión y corriente se consideran en combinación. O relativas a magnitudes similares en diferentes localidades, uno puede empezar a darse cuenta de los medios disponibles para propósitos de discriminación. Esta es una circunstancia afortunada que, aunque la Naturaleza ha impuesto en su forma contraria la precisión de la falla de un sistema eléctrico de potencia, nos ha provisto al mismo tiempo con un medio para combatirla.
