Conceptos sobre sistemas eléctricos de potencia y protecciones

1. Conceptos sobre Sistemas
Eléctricos de Potencia y
Protecciones
Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Escuela de Ingeniería Eléctrica
Curso Protecciones de Sistemas Eléctricos
Octubre 2016

2. Estructura General de un SEP
 Centrales generadoras
 Subestaciones elevadoras
 Sistema de transmisión
 Subestaciones de Enlace
 Sistema de subtransmisión
 Subestaciones receptoras
 Red de distribución en Media Tensión
 Red de distribución en BT

3. Equipos e instalaciones principales
en un SEP
 Turbogeneradores e Hidrogeneradores
 Transformadores de poder
 Circuitos de transmisión
 Interruptores y equipos de maniobra
 Esquemas de protecciones
 Esquemas de control y medida

4. Estructura general de un Sistema
Eléctrico de Potencia

5. Fallas y perturbaciones en un SEP
 Cortocircuitos por fallas de la aislación
dieléctrica
 Efectos externos (descargas atmosféricas,
viento, lluvia, etc.)
 Fallas en centrales eléctricas (turbinas,
calderas)
 Apertura de fases
 Contaminación armónica

6. Efectos sobre las variables del SEP
(tensiones y frecuencias)
 Sobrecorrientes
 Variaciones de tensión
 Variaciones de frecuencia
 Inversión de los flujos de potencia
 Desequilibrios en tensiones y corrientes
 Distorsión ondas de tensión y corriente

7. Rol de las protecciones en un SEP
 Detectar condiciones de falla o inicio
perturbaciones
 Requisitos básicos: dependabilidad y
confiabilidad
 Dependabilidad: que operen cuando deben
 Confiabilidad: no operaciones erráticas
 Rapidez de operación y selectividad

8. COORDINACIÓN Y SELECTIVIDAD
DE PROTECCIONES
 Selectividad: es la habilidad de un esquema de
protección de determinar adecuadamente la
ubicación de la falla y aislarla rápidamente. Al
momento que ocurra una falla ésta debe ser
despejada por los relés adyacentes a la falla,
evitando la salida de otras porciones del sistema.
 El estudio de determinación de ajustes hecho para
conseguir esta selectividad, se le conoce como
coordinación de protecciones.

9. CRITERIOS GENERALES DE
COORDINACIÓN DE PROTECCIONES
 Para poder determinar la selectividad de un sistema
de protección, dependiendo del tipo de falla que se
presente, pudiendo ser, sobrecarga o cortocircuito,
se deben considerar los siguientes criterios:
• Operación ante sobrecargas de acuerdo a curvas
tiempo-corriente de modo que mientras mayor sea la
sobrecarga el tiempo de operación de las
protecciones sea menor.
• Rápida operación ante cortocircuitos de modo de
satisfacer el requisito de selectividad.

10. SOBRECARGAS
 Las sobrecargas se detectan en base a la
detección de corrientes más altas que los
máximos permisibles por una instalación.
Para ajustar las protecciones se consideran
las curvas de daño de los equipos e
instalaciones protegidas, como se muestra
en la siguiente figura.
 Se observa que mientras mayor sea la
sobrecarga esta es soportada por menor
tiempo por el equipo o componente

11. CORTOCIRCUITOS
 Los cortocircuitos producen esfuerzos
electrodinámicos y esfuerzos térmicos. El esfuerzo
electrodinámico es proporcional al valor peak de la
curva mostrada. El esfuerzo térmico es proporcional
al área bajo la curva cuadrática de la corriente y
representa el calor generado por las altas corrientes.

12. TIPOS DE CORTOCIRCUITOS

13. Curva de daño y curva elemento
de protección

14. Algunas protecciones típicas
 Sobrecorriente de fase, instantánea y con
retardo según curva t(I): 50/51
 Sobrecorriente residual (mide corriente a
secuencia cero):50N/51N
 Baja tensión o sobretensión (27/59)
 Direccional de fase y residual (67/67N)
 Impedancia (21/21N)
 Diferencial (87)
 Baja frecuencia (81)

15. Números ANSI para algunas
funciones de protección
Nº del Relé Función
21 relé de distancia
25 relé de sincronismo
27 relé de bajo voltaje
32 relé direccional de potencia
40 relé de pérdida de excitación
46 relé de balance de fase (corrientes)
47 relé de secuencia de fase
49 relé térmico de sobrecarga
50 relé de sobrecorrientes instantáneas
51 relé de sobrecorriente
52 Interruptor de Potencia
59 relé de sobre voltaje
60 relé de balance de voltaje
67 relé direccional de sobrecorriente
81 relé de frecuencia
86 relé de bloqueo
87 relé diferencial

16. Elementos de un esquema de protección
 Transformadores de corriente
y potencial
 Equipos de protección o relés
( 51, 67,21,87,81,etc.)
 Interruptores ( 52)
 Circuitos de control
52
67
falla
I

17. Coordinación de protecciones
Sistema simplificado con dos sistemas de generación
52G
3
1 2 B
A

18. Coordinación en plano t-I
t
I
F
I
A
B
A

51
B

51

19. Protección de Generadores

20. Protecciones numéricas de circuitos de
transmisión

21. Funciones de protección
 Protección de líneas y cables
 Tiempo típico de operación 1.25 ciclos
 Algoritmos de protección de distancia
 Incorpora protección direccional de
sobrecorriente
 Esquemas de teleprotección
 Bloqueo ante oscilaciones de potencia

22. Protección de sistemas de transmisión
 TIPOS DE FALLAS
 -Fallas de aislación entre conductores y estructuras
 -Agentes externos
 -Rotura de conductores o apertura de puentes de unión
 -Descargas atmosféricas
 Protección de distancia : funciones 21/21N basados en
medición de relaciones V/I
 Esquemas de protección unitarios:
 Protección diferencial
 Esquemas de disparo/ bloqueo transferido
 Protección direccional 67/67N

23. Protección de subestaciones
 Protección diferencial de barras

24. Fallas internas en transformadores
 Fallas de desarrollo violento
- Cortocircuitos a tierra en
devanados en Y con neutro
a tierra
- Fallas a tierra en devanado en
delta
- Cortocircuitos entre fases
- Cortocircuitos entre espiras
de una misma fase
 Fallas incipientes
- Conexiones deficientes
- Fallas en aislación
laminados del núcleo
- Descargas parciales en
fluído refrigerante

25. Protección Diferencial de Transformadores
 Las razones de transformación están normalizados-> casi imposible
lograr una comparación adecuada de todas las diferencias
mencionadas.
 Solución: ajustes en las bobinas de retención que permiten realizar una
compensación “fina”.
 La otra alternativa es utilizar transformadores auxiliares de
compensación.
 Circulación de alta corriente de magnetización (Inrush).
 Esta corriente alcanza su valor más desfavorable cuando al
conectar el transformador, en alguna de las fases la tensión del
sistema va pasando por cero. Esta corriente no es compensada en los
otros enrollados del transformador, lo cual puede producir operación
falsa en los relés diferenciales.
 Para evitarlo se utilizan métodos que impiden la operación del relé
diferencial durante algunos segundos posteriores a la energización del
transformador en vacío. Uno de estos métodos se basa en la corriente
de 2º armónica que aparece al energizar un transformador.

26. Esquemas de protección diferencial
para transformadores
 Diferencial de fase
 Diferencial restringida para fallas a tierra
I
IC
Ia
Ib
Bobina de retención Bobina de retención
Bobinas de operación
Ia
Ib
IC
Ia
-Ib
Ib
-Ic
Ic
-Ia
b
F1 f - T
50
G
c
a
600/5
600/5
600/5
1 T/C
640/5
3 TT/CC
23 kV
110 kV

27. Protección de redes de distribución
 Fusibles
 Reconectadores
 Protección contra sobrecargas y altas
corrientes: 51/50
 Protección contra cortocircuitos a
tierra:51N/50N
 Protección direccional de sobrecorriente en
redes en anillo:67/67N

28. 28
28
 Motores
Síncronos.
De hasta 1500
HP
De mas de 1500 HP
ESQUEMAS DE PROTECCIÓN

29. 29 martes, 02 de agosto de 2022
29
martes, 02 de agosto de 2022
ESQUEMAS DE PROTECCIÓN
Motores de Inducción.
De hasta 1500 HP
De mas de 1500 HP

30. Protección de rectificadores
 Sensores de temperatura
 Sensores de sobrecorriente
 Relés térmicos (para la corriente de entrada y
para motor ventilador)
 Interruptores automáticos para circuitos de
control y ventiladores