PROTECCIÓN DE INSTALACIONES Y REDES ELÉCTRICAS
JUAN M. SUÁREZ CREO
PROFESOR DEL
DEPARTAMENTO DE ENXEÑARÍA ELÉCTRICA UNIVERSIDADE DE VIGO
Santiago de Compostela, 2015 3ª Edición, 2015 2ª Edición, 2011 1ª Edición, 2008 © Juan M. Suárez Creo © Andavira Editora, S. L. Depósito legal: C 130-2011 ISBN: 978-84-8408-819-6
No se permite la reproducción total o parcial de este libro, ni su incorporación a un sistema informático, ni su transmisión en cualquier forma o por cualquier medio, sea éste electrónico, mecánico, por fotocopia, por grabación u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito del editor. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (Art. 270 y siguientes del Có digo Penal) Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra. Puede contactar con CEDRO a través de la web www.conlicencia. com o por teléfono en el 91 702 19 70 / 93 272 04 47
Andavira, en su deseo de mejorar sus publicaciones, agradecerá cualquier sugerencia que los lectores hagan al departamento editorial por correo electrónico:
[email protected]
Impreso en España/Printed in Spain Impresión: Tórculo Comunicación Gráfica, S. A.
Andavira Editora, S. L. Vía de Édison, 33-35 (Polígono del Tambre) 15890 Santiago de Compostela (A Coruña) www.andavira.com
PRÓLOGO A LA 1ª EDICIÓN No cabe duda que la actuación correcta de las protecciones es una parte importante en el conjunto de acciones que permiten mantener el funcionamiento de la red eléctrica, como mínimo evitan males mayores cuando se produce alguna falta, por eso es llamativo la escasa bibliografía existente en español sobre este particular, los libros de Paulino Montané Sangrá y de Andoni Iriondo Barrenetxea son referencias imprescindibles. Este trabajo intenta contribuir modestamente a hacer más cercano y asequible el conocimiento de las protecciones eléctricas. Ni que decir tiene que no va a resolver todas las dudas o problemas concernientes a la protección de equipos o instalaciones, eso sería una misión imposible por lo menos para los conocimientos del autor, sin duda algunos de los temas abordados merecerían una extensión mucho mayor que la que aquí se le dedica y hay otros que ni siquiera son tratados, de la nada al todo hay mucho camino y este no deja de estar en el tramo inicial del recorrido, posiblemente a los que se inician les parecerá mucho y a los expertos muy poco. Frecuentemente los libros sobre protecciones se centran en la red y equipos de M.A.T. o A.T dejando un poco de lado la M.T e ignorando la B.T, sin embargo es indudable que gran parte de los actuales estudiantes desarrollarán su actividad en el campo de las instalaciones de M.T – B.T como lo hace en la actualidad un número elevado de profesionales en ejercicio, por tanto se consideró de interés tratar de dar una visión conjunta de las protecciones tanto de A.T como de M.T y B.T aunque en estos dos últimos presentan menos dificultad y complejidad que la protección de redes y equipos de A.T. Los contenidos del libro pueden ser seguidos sin dificultad por estudiantes de último curso de ingeniería de especialidad eléctrica, para poder comprenderlos se requieren algunos conocimientos previos como es natural, Análisis de circuitos y de faltas, Máquinas eléctricas (incluidos los transformadores de protección), Instalaciones eléctricas, Transporte, etc. son necesarias, pero la intención ha sido no dar nada por sentado y por lo general se proporcionan las explicaciones necesarias para que resulte comprensible. Como se trata más de dar formación más que información este libro no es un prontuario de datos (aunque alguno hay como es lógico), se centra más en explicar las causas y los efectos de las faltas y proporcionar criterios de protección. En este trabajo se afronta la problemática de las protecciones eléctricas de una forma relativamente independiente de las tecnologías utilizadas y ello por dos motivos, el primero es que existe una enorme variedad de diseños y sería imposible describir cada uno de ellos, el segundo, tan importante como el anterior, es que los problemas pueden ser resueltos de distintas formas, inicialmente se utilizaron relés electromagnéticos (y todavía hay muchos en servicio) que desarrollaron a la perfección su cometido, naturalmente los relés estáticos analógicos supusieron ventajas en rapidez, consumo, modularidad, etc. respecto a los anteriores y a su vez las protecciones digitales incorporan prestaciones de las que carecen los relés analógicos pero todos ellos tratan de resolver los mismos problemas.
Por último, quiero manifestar mi reconocimiento a un grupo de personas, a Eduardo Cavero, ingeniero de Red Eléctrica que hace ya bastante tiempo, cuando era mi jefe inmediato en una empresa de ingeniería, me encomendó el estudio de las protecciones de un proyecto y a partir de ahí nació mi interés por este campo, a mis compañeros del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Vigo José Cidrás Pidre y muy en especial a Blanca N. Miranda Blanco los cuales participaron en la realización de temas y apéndices y sin cuya colaboración esto nunca hubiera sido posible, al también profesor del Departamento Manoel da Costa Pardo de cuyos conocimientos y amistad me surtí, sin su permiso, de forma descarada, a Juan Rodríguez García ingeniero, actualmente jubilado, de protecciones de la central de Endesa de As Pontes de García Rodríguez (la mayor central térmica convencional de España) por sus observaciones y apoyo y naturalmente a mi familia por las horas dedicadas a este trabajo, en las cuales no estaba para nadie. Juan M. Suárez Creo Vigo Enero 2008
PRÓLOGO A LA 2ª EDICIÓN Esta edición tiene el propósito de depurar detalles de la anterior así como incluir algunas cosas nuevas, en concreto el Tema 9 se completa con la puesta a tierra resonante, en el Apéndice 2 se distingue entre faltas a tierra externas e internas a un transformador y en el nuevo Apéndice 11 se trata la estabilidad transitoria y su efecto en la impedancia medida por alguna de las protecciones de los alternadores. Deseo agradecer la ayuda prestada por mi compañero de Departamento Edelmiro Míguez en la confección de la puesta a tierra resonante y de nuevo a Juan Rodríguez García por sus comentarios y apoyo constante. Juan M. Suárez Creo Vigo Septiembre 2010
PRÓLOGO A LA 3ª EDICIÓN Se suele decir que "hasta el mejor escriba tiene un borrón", si eso le pasa al mejor qué le pasará a los no tan buenos. El objeto de esta nueva edición es incluir en el Apéndice 1 los circuitos equivalentes de los autotransformadores de tres arrollamientos, algo muy poco tratado en la literatura, y a consecuencia de ello hacer unas necesarias correcciones en el tramo final del apartado A2.2 de la 2ª edición. Quiero agradecer a Ricardo Granizo Arrabé, Alberto Carlos Barrado Sánchez y como siempre a Juan Avelino Rodríguez García su desinteresada e inestimable ayuda. Juan M. Suárez Creo Vigo Mayo 2015
ÍNDICE TEMA 1.
CONFIGURACIÓN GENERAL DEL SISTEMA ELÉCTRICO
1.1 INTRODUCCIÓN 1.2. DISPOSICIÓN BÁSICA DE UNA CENTRAL GENERADORA 1.3. BARRAS DE UNA ESTACIÓN TRANSFORMADORA 1.4. ELEMENTOS DE ESTACIONES DE TRANSFORMACIÓN 1.5. RED DE MT/BT 1.6. CENTROS DE TRANSFORMACIÓN. CONFIGURACIONES TÍPICAS 1.6.1. CT,s aéreos 1.6.2. CT,s de interior (de compañía) 1.6.2. CT,s de interior (de abonado) TEMA 2.
1 3 4 6 8 9 9 10 11
NOCIONES GENERALES DE PROTECCIONES ELÉCTRICAS
2.1. INTRODUCCIÓN 2.2. TERMINOLOGÍA Y CONCEPTOS USADOS EN PROTECCIONES 2.2.1. Discriminación 2.2.2. Selectividad. Coordinación 2.2.3. Zonas de protección abiertas y cerradas 2.2.4. Solape de zonas de protección de alcance cerrado 2.2.5. Protección de respaldo 2.2.6. Fiabilidad 2.2.7. Rapidez (tiempo) de operación 2.2.8. Sensibilidad 2.3. CUALIDADES DE LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN 2.4. CLASIFICACIÓN DE LOS RELÉS 2.5. EVOLUCIÓN DE LOS RELÉS DE PROTECCIÓN 2.6. RELÉS DE PROTECCIÓN INDIRECTOS DE APLICACIONES MÚLTIPLES 2.6.1. Relés de sobreintensidad 2.6.2. Relé diferencial 2.6.2.a. protección diferencial longitudinal 2.6.2.b. protección diferencial transversal 2.6.2.c. protección diferencial de alta impedancia 2.6.2.d. otras versiones de protecciones diferenciales
i
13 16 17 17 27 29 32 36 37 38 38 39 39 40 40 42 43 46 46 46
TEMA 3.
INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS DE B.T
3.1. INTRODUCCIÓN 3.2. INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS SEGÚN UNE EN 60898 3.3. INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS SEGÚN UNE EN 60947-2 3.3.1. Retardo largo dependiente (L) 3.3.2. Retardo corto (S) 3.3.3 Característica instantánea (I) 3.3.4. Categoría de empleo 3.4. INTERRUPTORES AUTOMÁTICOS LIMITADORES 3.5. PROTECCIÓN DE ACOMPAÑAMIENTO, PROTECCIÓN DE RESPALDO (BACK-UP) O FILIACIÓN ENTRE I.A 3.6. SELECTIVIDAD 3.6.1. Rango de sobrecargas 3.6.2. Rango de cortocircuitos 3.6.2.a. selectividad amperimétrica 3.6.2.b. selectividad cronométrica 3.6.2.c. selectividad lógica o de zona
3.7. COORDINACIÓN DE PROTECCIONES 3.8. CRITERIOS DE SELECTIVIDAD 3.9. ELECCIÓN DE I.A. Y RELÉ 3.10. PROTECCIÓN DE NEUTRO 3.11. PROTECCIÓN CONTRA FALTAS A TIERRA 3.12. PROTECCIÓN DE FALTAS A TIERRA POR MEDIO DE DIFERENCIALES DE B.T ASOCIADOS A I.A. 3.13. PROTECCIÓN DIFERENCIAL Y CONTACTOS DIRECTOS E INDIRECTOS TEMA 4.
49 51 55 56 59 60 61 63 66 68 69 71 71 76 79 81 81 85 85 87 90 93
FUSIBLES DE B.T
4.1. INTRODUCCIÓN 4.2. FUNCIONAMIENTO 4.2.1. Funcionamiento en sobrecarga 4.2.2. Funcionamiento en cortocircuito 4.2.2.a. fusible de sección uniforme 4.2.2.b. fusible de sección variable
4.3. DATOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS FUSIBLES 4.3.1. Intensidad nominal 4.3.2. Característica de intervención i = f(t) 4.3.3. Característica de limitación 4.3.4. Característica de energía específica 4.4. COORDINACIÓN Y SELECTIVIDAD 4.5. UTILIZACIÓN DE LOS FUSIBLES ii
101 102 103 105 106 107 109 109 109 113 115 118 121
TEMA 5.
PROTECCIÓN DE MOTORES
5.1. INTRODUCCIÓN 5.2. CAUSAS DE FALLO EN MOTORES 5.3. ORIGEN DE LOS CALENTAMIENTOS 5.4. MEDIOS DE PROTECCIÓN DE MOTORES 5.4.1. En construcción 5.4.2. En servicio 5.4.2.a. protección por medio de fusibles 5.4.2.b. protección por medio de relés térmicos 5.4.2.c. protección por medio de interruptor automático
5.5. PROTECCIÓN DE MOTORES CON RELÉS INDIRECTOS 5.5.1. Protección (de imagen) térmica. Dispositivo 49 5.5.2. Protección contra asimetría o fallo de fase. Dispositivo 46 5.5.3. Función de vigilancia de arranque 5.5.4. Protección contra bloqueo en marcha 5.5.5. Protección contra cortocircuitos entre fases 5.5.6. Protección diferencial. Dispositivo 87 5.5.7. Protección contra faltas a tierra 5.5.8. Protección contra baja carga. Dispositivo 37 5.5.9. Vigilancia del sentido de giro del motor 5.5.10. Vigilancia de arranques sucesivos TEMA 6.
PROTECCIÓN DE BATERÍAS DE CONDENSADORES DE B.T
6.1. INTRODUCCIÓN 6.2. CIRCUITO SERIE L-R-C 6.3. CONEXIÓN DE UNA BATERÍA DE CONDENSADORES 6.4. CONEXIÓN DE UNA SEGUNDA BATERÍA EN EL MISMO PUNTO 6.5. BATERÍAS POR ESCALONES 6.6. ELECCIÓN Y AJUSTE DE LOS ELEMENTOS DE PROTECCIÓN 6.6.1. Protección contra sobrecargas 6.6.2. Protección contra cortocircuitos TEMA 7.
125 126 128 144 144 146 152 152 157 159 159 162 163 166 166 168 170 171 171 172
175 176 178 180 182 182 183 184
PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES
7.1. INTRODUCCIÓN 7.2. CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA 7.3. REGÍMENES DE CARGA iii
185 187 188
7.4. CAPACIDAD DE SOBRECARGA DE TRANSFORMADORES 7.5. APTITUD PARA SOPORTAR CORTOCIRCUITOS 7.6. PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES DE DISTRIBUCIÓN 7.6.1. En el lado de A.T. 7.6.2. Protección por B.T 7.6.3. Otros elementos de protección de transformadores de distribución 7.6.4. Transformadores de distribución. Protección contra situaciones de desequilibrio 7.7. PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES DE MEDIA Y GRAN POTENCIA 7.8. PROTECCIÓN CON RELÉS DE SOBREINTENSIDAD TEMPORIZADOS 7.9. PROTECCIÓN CONTRA FALTAS A TIERRA 7.10. PROTECCIÓN CON RELÉS DE IMAGEN TÉRMICA 7.11. PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE TRANSFORMADOR 7.11.1. Corrección de los distintos valores de intensidad y desfases entre corrientes 7.11.2. Transitorio de conexión 7.11.3. Corriente de vacío 7.11.4. Regulación en carga 7.12. PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE NEUTRO 7.13. TRANSFORMADORES DE TRES ARROLLAMIENTOS 7.14. OTROS RELÉS DE PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES 7.14.1. Protección de cuba 7.14.2. Protección contra sobreexcitación (59/81 V/Hz) 7.14.3. Otras protecciones no eléctricas de transformadores de media y gran potencia 7.15. PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES DE PUESTA A TIERRA 7.16. PROTECCIÓN DE AUTOTRANSFORMADORES 7.17. RESUMEN. CRITERIOS DE PROTECCIÓN SEGÚN TIPOS DE TRANSFORMADORES TEMA 8.
189 192 198 198 202 206 207 212 215 221 227 229 231 239 240 241 247 249 258 258 259 260 261 264 265
PROTECCIÓN DE LÍNEAS DE M.T RADIALES
8.1. INTRODUCCIÓN 8.2. VARIACIÓN DE LA CORRIENTE DE FALTA 8.3. SELECTIVIDAD Y RESPALDO 8.4. REENGANCHE
iv
271 271 274 280
TEMA 9.
PROTECCIÓN DE SOBREINTENSIDAD DIRECCIONAL
9.1. INSUFICIENCIA DE LA PROTECCIÓN DE SOBREINTENSIDAD 9.2. DETERMINACIÓN DE LA DIRECCIÓN 9.3. CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO 9.3.1.Posibilidades de conexión 9.4. CORTOCIRCUITOS BIFÁSICOS 9.5. FALTAS SIMPLES A TIERRA 9.5.1. polarización por tensión homopolar 9.5.1.a. neutros rígidos a tierra 9.5.1.b. neutro impedante 9.5.1.c. neutro aislado 9.5.1.d. neutro resonante
9.5.2. Polarización por corriente 9.5.3. Polarización doble o dual 9.6. ENSAYO PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS POLARIDADES DE LOS CIRCUITOS AMPERIMÉTRICO Y VOLTIMÉTRICO 9.6.1. Unidad de faltas de fase 9.6.2. Unidad de faltas de tierra TEMA 10.
283 286 290 292 295 298 299 300 301 304 313 326 328 329 329 332
PROTECCIÓN DE DISTANCIA
10.1. INTRODUCCIÓN 10.2. MAGNITUDES DE MEDIDA EN LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA 10.3. OBTENCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS RELÉS DE DISTANCIA 10.3.1. Comparadores de amplitud 10.3.2. Comparadores de fase 10.4. EQUIVALENCIA ENTRE COMPARADORES DE AMPLITUD Y DE FASE 10.5. CARACTERÍSTICAS OBTENIDAS POR VARIOS COMPARADORES 10.6. DIRECCIONALIDAD DE LAS CARACTERÍSTICAS DE LAS PROTECCIONES DE DISTANCIA EN EL PLANO R-X 10.7. UTILIZACIÓN DE LAS DISTINTAS CARACTERÍSTICAS 10.8. ESQUEMAS COMPLETOS DE PROTECCIÓN DE DISTANCIA 10.9. REPRESENTACIÓN DE LA PRECISIÓN EN LA MEDIDA 10.10. REPRESENTACIÓN DEL TIEMPO DE INTERVENCIÓN 10.11. RELÉ “MHO POLARIZADO” 10.12. PROTECCIONES CONMUTADAS v
335 341 346 346 350 353 353 354 356 358 364 370 371 375
10.12.1. Arranque con relés de mínima tensión 10.12.2. Arranque con relés de mínima impedancia 10.12.3. Circuito de selección de fase 10.12.4. unidad de medida principal 10.13. PROTECCIONES POLIFÁSICAS 10.14. ERRORES EN LA MEDIDA DE LA PROTECCIÓN DE DISTANCIA 10.14.1. Estimación incorrecta de la impedancia de línea 10.14.2. Influencia de los acoplamientos mutuos en líneas en paralelo 10.14.3. Influencia de la alimentación desde el extremo remoto 10.14.4. Influencia de la resistencia de falta 10.14.5. Influencia de las alimentaciones intermedias 10.14.6. Influencia de los transitorios de tensión e intensidad 10.14.6.a. los T.I se saturan 10.14.6.b. los T.I no se saturan
10.14.7. Influencia de la carga en la medida 10.15. OSCILACIONES PENDULARES 10.16. FALTAS A TRAVÉS DE TRANSFORMADORES 10.17. LÍNEAS CON TRANSFORMADOR EN UNO DE SUS EXTREMOS 10.18. CRITERIOS GENERALES DE AJUSTE DE LAS PROTECCIONES DE DISTANCIA 10.18.1. Ajuste del primer escalón 10.18.2. Ajuste del segundo escalón 10.18.3. Ajuste del tercer escalón 10.19. FALTAS RARAS TEMA 11.
377 378 378 379 379 381 382 382 386 388 390 392 393 394 396 401 408 414 419 419 421 422 425
PROTECCIONES DE ALCANCE CERRADO EN LÍNEAS DE A.T
11.1. INTRODUCCIÓN 11.2. CANALES DE COMUNICACIÓN 11.2.1. Hilos piloto 11.2.2. Cable de fibra óptica 11.2.3. Onda portadora 11.2.4. Enlaces por radio 11.3. PROTECCIÓN DIFERENCIAL POR HILOS PILOTO 11.3.1. Diferencial de intensidad 11.3.2. Diferencial de tensión 11.3.3. Protecciones segregadas y agregadas 11.3.4. Supervisión de los hilos piloto 11.4. COMPARACIÓN DE FASE vi
427 428 428 428 428 428 429 429 431 432 433 433
11.5. COMPARACIÓN DIRECCIONAL 11.6. PROTECCIÓN DE DISTANCIA CON CANALES DE COMUNICACIÓN (DISPARO TRANSFERIDO) 11.6.1. Esquemas a disparo
436 438 439 439 440 441 442
11.6.1.a. disparo directo 11.6.1.b. subalcance permisivo 11.6.1.c. sobrealcance permisivo
11.6.2. Esquemas a bloqueo 11.6.2.a. bloqueo iniciado por relés de impedancia no direccionales 11.6.2.b. bloqueo iniciado por relés de sobreintensidad 11.6.2.c. bloqueo iniciado por relés de impedancia direccionales
443 444 445 446 446
11.6.3. Disparo a desbloqueo 11.6.4 Esquema híbrido TEMA 12.
PROTECCIÓN SÍNCRONOS
DE
ALTERNADORES
Y
12.1. INTRODUCCIÓN 12.2. DISPOSICIÓN DE ALTERNADORES 12.3. CONSIDERACIONES PREVIAS 12.4. TIPOS DE DEFECTOS 12.5. PROTECCIÓN CONTRA FALTAS INTERNAS 12.5.1. Protección diferencial 12.5.1.a. protección de pequeños alternadores 12.5.1.b. protección diferencial con T.I bobinados y relé diferencial 12.5.1.c. protección diferencial del bloque 12.5.1.d. protección diferencial del conjunto generador + TP + transformador auxiliar de grupo 12.5.1.e. protección diferencial transversal
12.5.2. detección de cortocircuitos entre espiras en bobinas simples 12.5.3. Protección de sobreintensidad. (Dispositivo 51 ó 51V) 12.5.4. Protección de mínima impedancia (dispositivo 21) 12.5.5. Protección de faltas a tierra del estátor (<100%) 12.5.5.a. detección de faltas a tierra con baja impedancia 12.5.5.b. detección de faltas a tierra con alta impedancia 12.5.5.c. detección de faltas a tierra con neutros aislados
12.5.6. protección del 100% del estátor 12.5.6.a. medida de la tensión armónica entre el neutro y tierra vii
MOTORES
447 448 449 451 452 452 452 452 454 454 455 457 458 461 465 467 469 473 477 477
12.5.6.b. inyección de una corriente subarmónica
12.5.7. Protección contra faltas a tierra del rotor 12.6. PROTECCIÓN ANTE FUNCIONAMIENTOS ANORMALES EN LA RED 12.6.1. Protección contra sobrecargas 12.6.2. Protección contra cargas desequilibradas (46) 12.6.3. Protección contra pérdida de sincronismo (78) 12.6.4. Protección de sobre y subfrecuencia (81) 12.7. PROTECCIÓN CONTRA SITUACIONES ANORMALES EN EL ALTERNADOR 12.7.1. Protección de sobretensión (59) 12.7.2. protección de potencia inversa (32) 12.7.3. Protección contra pérdida de excitación (40) 12.8. OTRAS PROTECCIONES ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS 12.8.1. Protección de mínima tensión (27) 12.8.2. Comprobación de sincronismo (25) 12.8.3. Equilibrio de tensiones (60) 12.8.4. Otras 12.8.5. Protecciones mecánicas 12.9. PROTECCIONES RECOMENDADAS SEGÚN POTENCIAS 12.10. PROTECCIÓN DE MOTORES SÍNCRONOS TEMA 13.
481 481 481 484 494 497 497 499 501 506 506 507 508 508 509 509 512
PROTECCIÓN DE BARRAS
13.1. INTRODUCCIÓN 13.2. DIFERENCIAL DE BARRAS 13.2.1. Protección diferencial de baja impedancia o de equilibrio de corrientes 13.2.2. Inconveniente de la protección diferencial de baja impedancia 13.3. PROTECCIÓN DIFERENCIAL DE MEDIA O ALTA IMPEDANCIA 13.3.1. Estabilidad ante faltas externas 13.3.2. Actuación ante falta interna 13.4. COMBINACIÓN DE ZONAS DE PROTECCIÓN 13.5. OTRAS PROTECCIONES DE BARRAS TEMA 14.
478 479
521 529 529 532 535 535 537 539 540
PROTECCIÓN DE INSTALACIONES DE COGENERACIÓN
14.1. INTRODUCCIÓN 14.2. CONFIGURACIONES TÍPICAS 14.3. ELEMENTOS Y PROTECCIONES DE LA INTERCONEXIÓN 14.3.1. En B.T viii
543 544 546 547
14.3.2. En M.T 14.3.3. En A.T 14.4. PROTECCIONES DEL ALTERNADOR TEMA 15.
547 549 550
MISCELÁNEA
15.1 PROTECCIÓN DE CABINAS DE M.T 15.2. PROTECCIÓN SELECTIVA DE TRANSFORMADORES EN PARALELO APÉNDICE 1.
553 555
IMPEDANCIA HOMOPOLAR DE TRANSFORMADORES
A1.1. INTRODUCCIÓN A1.2. IMPEDANCIAS A LA SECUENCIA POSITIVA Y NEGATIVA DE UN TRANSFORMADOR DE DOS DEVANADOS A1.3. IMPEDANCIAS A LA SECUENCIA CERO DE TRANSFORMADORES DE DOS DEVANADOS A1.3.1. Impedancia homopolar de devanados en estrella con neutro a tierra A1.3.1.a. tres núcleos monofásicos independientes A1.3.1.b. núcleo trifásico de tres columnas
A1.3.2. Transformadores en conexión YN-yn A1.3.2.a. tres transformadores monofásicos A1.3.2.b. transformadores de núcleo trifásico de tres columnas
A1.3.3. Transformadores en conexión YN-y A1.3.3.a. tres transformadores monofásicos A1.3.3.b. transformadores de núcleo trifásico de tres columnas
A1.3.4. Transformadores en conexión Y-yn A1.3.5. Transformadores en conexión Y-y A1.3.6. Transformadores en conexión YN-d ó yn-D A1.3.6.a. banco de tres transformadores monofásicos A1.3.3.b. transformador de núcleo trifásico de tres columnas
A1.3.7. Transformadores en conexión Y-d ó D-y A1.3.8. Transformadores en conexión D-yn ó d-YN A1.3.9. Transformadores en conexión D-y ó d-Y A1.3.10. Transformadores en conexión D-d ó d-D A1.4. REDES DE SECUENCIA DE TRANSFORMADORES DE ix
559 560 562 563 563 563 565 565 566 567 567 568 570 570 571 571 573 574 574 575 575
TRES ARROLLAMIENTOS A1.4.1. Circuito equivalente a las secuencias positiva y negativa A1.4.1.a. sin consideración de los desfases entre las magnitudes de diferentes fases A1.4.1.b. considerando desfases
A1.4.1. Circuito equivalente a la secuencia cero A1.5. AUTOTRANSFORMADORES TRIFÁSICOS A1.6. TRANSFORMADORES DE PUESTA A TIERRA
FALTAS A TIERRA SIMPLE A TRAVÉS DE TRANSFORMADORES A2.1. FALTAS A TIERRA EXTERNAS AL TRANSFORMADOR A2.2. FALTAS A TIERRA INTERNAS AL TRANSFORMADOR A2.3. EJEMPLO DE CÁLCULO DE CORRIENTES DE FALTA A TIERRA
576 576 576 576 577 579 595
APÉNDICE 2.
APÉNDICE 3.
APÉNDICE 4.
APÉNDICE 5.
APÉNDICE 6.
SATURACIÓN DE TRANSFORMADORES DE INTENSIDAD
OBTENCIÓN DE LAS IMPEDANCIAS MEDIDAS POR LAS DISTINTAS UNIDADES EN LOS RELÉS DE DISTANCIA
USO DEL PLANO COMPLEJO DE ADMITANCIAS E IMPEDANCIAS EN PROTECCIONES
599 625 638
659
673
707
CORTOCIRCUITO EN BORNES DE LA MÁQUINA SÍNCRONA
A6.1. CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO CON LA MÁQUINA EN VACÍO A6.1.1 Corriente de inducido de régimen permanente A6.1.2. Componente alternativa transitoria A6.1.3. Período subtransitorio A6.1.4. Corriente alterna de cortocircuito x
721 723 724 727 728
A6.1.5. Componente unidireccional de cortocircuito A6.2. CORTOCIRCUITO TRIFÁSICO CON CARGA PREVIA A6.2.1. Régimen permanente A6.2.2. Régimen transitorio A6.2.3. Régimen subtransitorio A6.2.4. Componente unidireccional A6.2.5. Efecto de las impedancias externas A6.3. CORTOCIRCUITOS ASIMÉTRICOS APÉNDICE 7.
APÉNDICE 8.
CÓDIGO ANSI DE DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN
729 730 731 731 732 732 733 734
737
ALGO ACERCA DE LAS TECNOLOGÍAS
A8.1. RELÉS ELECTROMECÁNICOS A8.1.1. Relés ferromagnéticos A8.1.2. Relés de cuadro móvil y ferrodinámicos A8.1.3. Relés de inducción A8.1.3.a. relé de inducción de disco A8.1.3.b. relé de inducción de copa
745 749 750 751 752 753
A8.2. RELÉS ELECTRÓNICOS DE ESTADO SÓLIDO ANALÓGICOS A8.3. RELÉS DIGITALES O NUMÉRICOS
755 757
APÉNDICE 9.
761
FERRORESONANCIA
APÉNDICE 10.
REDUCCIÓN DE UNA RED COMPLEJA A SU EQUIVALENTE THÉVENIN ENTRE NUDOS A10.1. ADMITANCIAS PROPIAS Y MUTUAS EN CASO DE LÍNEAS CON ACOPLAMIENTOS MAGNÉTICOS A10.2. DETERMINACIÓN DEL EQUIVALENTE THÉVENIN ENTRE NUDOS
APÉNDICE 11.
ESTABILIDAD TRANSITORIA
A11.1. REFERENCIA SÍNCRONA A11.2. MODELO MECÁNICO DEL ALTERNADOR A11.3. MODELO SIMPLIFICADO DE LA MÁQUINA ELÉCTRICA MÁQUINA DE ROTOR LISO A11.4. ESTABILIDAD TRANSITORIA. CRITERIO DE IGUALDAD DE ÁREAS A11.5. DETERMINACIÓN DEL ÁNGULO CRÍTICO Y TIEMPO CRÍTICO xi
773
773 786 803 803 805 807 808 812
A11.6. UNA VISIÓN MECÁNICA A11.7. EQUIVALENTE DE DOS MÁQUINAS A11.8. FALTAS ASIMÉTRICAS A11.9. VARIAS MÁQUINAS EN PARALELO A11.10. FACTORES QUE FAVORECEN LA ESTABILIDAD TRANSITORIA A11.11. MÁQUINA DE POLOS SALIENTES ACOPLADA A UN SISTEMA INFINITO A11.12. OSCILACIONES DE PEQUEÑA AMPLITUD A11.13. COMPORTAMIENTO DE LAS PROTECCIONES DE UN ALTERNADOR ANTE PROBLEMAS DE ESTABILIDAD
xii
813 820 824 826 827 832 834 837
NOTACIÓN Y SIMBOLOGÍA
U AB
o también
polar sería ,..)
U AB
U AB .
indica una tensión compleja cuyo valor en notación
Esto se aplica tanto a magnitudes fasoriales ( E ,
U , I ,
como a magnitudes invariantes ( Z , Y , S ,..).
Se utilizan indistintamente la representación fasorial concurrente (los fasores están referidos al origen del plano complejo) como la representación sucesiva (los fasores se concatenan unos con otros para a a poner de manifiesto la 1 ó 2 ley de Kirchoff). Representación sucesiva
Representación concurrente -U A U CA U C
U CA U A
U A
U AB
U B
-U C
U AB
A
B
U B U C U BC
-U B C
U BC
Los elementos pasivos (impedancias o admitancias) y los devanados de transformadores de potencia se representan por un rectángulo relleno en gris, cuando es una resistencia pura el relleno es blanco y cuando es una reactancia pura el relleno es negro, también los devanados de T.I o T.T se representan en negro así como los circuitos amperimétricos o voltimétricos de relés. En ocasiones se representan las bobinas por su símbolo más elaborado así como los condensadores. jX
Z
R
T.I o T.T
devanado
* *
Circuito amperimétrico o voltimétrico
C.E.I = Comisión Electrotécnica Internacional = I.E.C = International Electrotechnical Comission. ANSI = American National Standard Industries IEEE = Institute of Electrical and Electronic Engineers EN = Norma Europea UNE = Norma Española BS = British Standards xiii
Configuración general del sistema eléctrico
TEMA 1.
CONFIGURACIÓN ELÉCTRICO
GENERAL
DEL
SISTEMA
1.1 INTRODUCCIÓN El sistema eléctrico moderno está constituido por un gran número de elementos con diferentes niveles de tensión interconectados entre sí formando una red mallada. En la figura 1.1 se muestra a título de ejemplo una red hipotética, los distintos niveles de tensión se simbolizan por grueso de línea decrecientes a los que el lector puede asociar valores, 400 kV, 220kV, 132 kV, 66 kV, 20 kV, 0.4 kV son los más usuales pero pueden coexistir con otros, 110kV, 45kV, 36kV, 15 kV dependiendo de cada zona o compañía eléctrica. Las centrales transforman una energía primaria en energía eléctrica, dependiendo de su potencia se conectan a los niveles de tensión más adecuados para tratar de minimizar las pérdidas de transporte, lo habitual en grandes centrales es su conexión a líneas de transporte de M.A.T (400kV, 220kV). También existen centrales que evacuan a líneas de subtransporte o reparto (132kV, 66kV) las cuales vienen a ser las antiguas líneas de transporte cuando el sistema eléctrico no estaba tan desarrollado y no exigía unos niveles de tensión de transporte tan altos como en la actualidad, y más raramente a líneas de distribución de M.T (45kV, 36, kV, 20kV). El sistema funciona de tal forma que la energía eléctrica consumida en un punto puede estar suministrada por una central próxima o alejada dado que no todos los generadores están simultáneamente en funcionamiento, la energía eléctrica no se puede almacenar en grandes cantidades (pequeñas cantidades se pueden guardar en baterías, acumuladores o condensadores) y ello exige un equilibrio instantáneo entre la energía generada y la consumida y, a su vez, una planificación adecuada para acomodar la producción a la curva de demanda diaria, la pérdida de ese equilibrio supone una de las mayores perturbaciones que se 1 puedan producir en la red con consecuencias muy graves o incluso catastróficas .
1
El 4 de Noviembre de 2006 nueve países europeos y un total aproximado de diez millones de personas se vieron afectados durante horas por un corte de suministro. La perturbación tuvo su origen en la Baja Sajonia (Alemania) al realizar la compañía E.On un descargo (desconexión) de una línea de 400 kV que cruza el río Ems para permitir el paso sin tensión del crucero “Norvegian Pearl” en su ruta hacia el mar del Norte. La reposición de tensión sin las condiciones adecuadas produjo una desconexión en cadena de otras líneas. 1
Protección de Instalaciones y Redes Eléctricas
La evacuación de la energía se lleva a cabo por medio de los sistemas de barras que vienen a ser los nudos de ese circuito inmenso que es la red, en estos nudos confluyen líneas que vienen a ser los conductores de ese mismo circuito, la configuración de las barras y de las líneas son variados, en particular las líneas pueden ser de simple circuito, doble circuito, líneas con derivación, líneas acabadas en transformador, etc. cada una de estas configuraciones plantea problemas específicos de detección y eliminación de faltas. La interconexión de líneas con diferentes niveles de tensión se lleva a cabo en las estaciones de transformación o subestaciones en donde el elemento definitorio son los transformadores pero que pueden contar con otros equipos para controlar la tensión. La parte del sistema eléctrico donde se produce y transporta energía en cantidades masivas se suele denominar Sistema Eléctrico de Potencia (SEP) que está constituida por la parte de la red con tensiones más elevadas. El mantenimiento de la estabilidad es primordial en esta parte de la red dado que su pérdida puede desencadenar un efecto dominó que puede desembocar en un apagón masivo (denominado black-out). El consumo de energía se encuentra mayoritariamente en los centros industriales y poblaciones y al no ser la energía eléctrica directamente utilizable en M.A.T es necesario pasar a niveles de tensión más reducidos para distribuir adecuadamente la energía en amplias zonas geográficas, se denomina Sistema Eléctrico de Distribución (SED) a la parte en la cual se pasa de A.T (incluyendo en este nivel hasta 66kV) a M.T (45kV, 36 kV, 20kV, 15kV). En la red de distribución no es frecuente la presencia de centrales y generalmente no presenta una configuración mallada sino radial, es decir, un único punto de alimentación del cual salen líneas de distribución, pero en ocasiones pueden tener generación (pequeñas centrales hidráulicas, parques eólicos, cogeneración de centros industriales) conectada a ellas existiendo líneas de M.T con doble alimentación. Desde las líneas de distribución se alimenta a los Centros de transformación (CT) que básicamente consisten en transformadores que pasan de M.T a B.T (generalmente 400 V de tensión de línea, 230 V de tensión fase-neutro) que es el nivel de tensión al cual el consumo eléctrico es mayoritario aunque en grandes instalaciones industriales existe una parte de consumo r ealizado a M.T, 6,6 kV e inferiores. La complejidad del conjunto de la red eléctrica es muy grande y la cantidad de problemas a superar para un funcionamiento estable de calidad (tensión y frecuencia dentro de los márgenes adecuados) y con garantía de continuidad es muy alto, entre ellos se encuentra el de proteger los distintos elementos y partes ante faltas a lo cual se dedica el contenido de este trabajo.
2
Configuración general del sistema eléctrico
central generadora línea de enlace línea de transporte
estación transformadora derivación en T línea doble
anillo
línea acabada en trafo
C.T
radial
bucle
doble alimentación
Fig. 1.1
1.2. DISPOSICIÓN BÁSICA DE UNA CENTRAL GENERADORA La figura 1.2 esquematiza una central de una única máquina o grupo, la descripción de la función de los distintos elementos puede verse en el capítulo dedicado a la protección de máquinas síncronas. De momento basta con decir que la generación eléctrica se lleva a cabo mayoritariamente en alternadores de tipo síncrono y por razones tecnológicas este tipo de máquinas tienen su límite de tensión en torno a los 30 kV, por tanto no se
3
