Protecciones Eléctricas

Marco Marambio Espinoza

 UNIDAD II: Conceptos fundamentales de los sistemas de distribución

Conceptos fundamentales de los sistemas de distribución

Los sistemas eléctricos de potencia están constituidos básicamente por tres grandes procesos.
A. Proceso de Generación
B. Proceso de Transmisión
C. Proceso de Distribución
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El proceso de distribución a diferencia de los sistemas de generación y transmisión, interactúan en forma directa con la
mayoría de los clientes de energía eléctrica, los cuales esperan un servicio que satisfaga sus necesidades en todos los
aspectos. El sistema de distribución como eslabón principal del suministro de energía eléctrica, tiene como función
principal transportar energía eléctrica de las subestaciones de potencia o en algunos casos fuentes de generación a los
lugares de utilización, este suministro de energía eléctrica debe darse bajo parámetros de calidad bien definidos, como
son tensión, frecuencia, forma de onda, secuencia de fases, continuidad y disponibilidad.
En nuestro país los sistemas eléctricos de distribución se comprenden principalmente de cinco partes:
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Líneas de subtransmisión. Es un conjunto de equipos donde se transporta la energía eléctrica desde su fuente de
generación y es interconectada en las subestaciones de distribución; los niveles de tensión en nuestro país son 110, 66 y
23 kV.
Subestaciones de distribución. Conjunto de equipos eléctricos para transformar la energía eléctrica recibida en bloque y
distribuida en diferentes trayectorias a través de los circuitos de distribución.
Circuitos de media tensión. Circuitos eléctricos que parten de las subestaciones de distribución y proporcionan la
potencia eléctrica a los transformadores de distribución, los niveles de tensión utilizados en el país van desde 2.4 hasta
36 kV.
Transformadores de distribución. Equipo eléctrico que reduce la tensión de los circuitos de media tensión a la tensión de
utilización de los clientes.
Circuitos de baja tensión. Se encuentran interconectados en los transformadores de distribución y proporcionan la
tensión eléctrica requerida por el cliente.
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Naturaleza de las fallas

En los sistemas de distribución, pueden ocurrir principalmente dos tipos de falla según su naturaleza:
Son de corta duración, donde la pérdida de aislamiento de los elementos del sistema sometidos a tensión eléctrica.
Algunos tipos de fallas transitorias incluyen contactos momentáneos con ramas de árboles, flameo por contaminación o
arqueo del aislamiento por descargas atmosféricas, mezclándose en este último caso las ondas de la sobretensión de
forma no sostenida con la corriente de frecuencia nominal.
Otros tipos de fallas, de las cuales resultan corrientes de frecuencia nominal pueden ser de naturaleza transitoria si la
tensión del elemento fallado es interrumpida rápidamente por la acción de un dispositivo de protección y luego
restablecida después de que el aislamiento ha recuperado su capacidad dieléctrica. Tales fallas pueden resultar de
descargas atmosféricas con flameo de aislamiento, contacto de aves o animales, movimiento de conductores cercanos,
etc.
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Fallas de naturaleza permanente

Son la pérdida de aislamiento del elemento fallado es permanente, al tratarse tanto de aislamientos de tipo "no
recuperable", como de aislamientos “recuperables” donde su capacidad dieléctrica es drásticamente reducida. Las fallas
permanentes son aquellas que requieren reparación, mantenimiento o reposición del equipo antes de que la tensión
eléctrica pueda ser restablecida en el punto de falla. Su ocurrencia generalmente origina una pérdida irreversible del
aislamiento cuando éste es del tipo "no recuperable". Si se trata de aislamientos del tipo "recuperable", tales como el
aire, la pérdida del aislamiento es debida a contacto de elementos conductores, ya sea entre ellos o con tierra,
provocado normalmente como consecuencia de fallas mecánicas o estructurales.
Los sistemas de distribución, la naturaleza de sus fallas y la definición de su sistema de protección
Para la estadística de operación así como numerosos estudios, indican que las fallas en un sistema aéreo de distribución
tienen el siguiente comportamiento:
Entre un 80% a 95% del total de fallas son de naturaleza transitoria, correspondiendo complementariamente entre el
20% a 5% a fallas permanentes.
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De las fallas transitorias entre un 90% a 95% son liberadas en el primer intento de restablecimiento de la tensión
eléctrica; entre un 4% a 6% son liberadas posteriormente al segundo intento de restablecimiento; entre un 2% a 3%
desaparecen después del tercer intento y entre 0% a 1% son despejadas después de un cuarto intento o en posteriores
intentos de restablecimiento. A este respecto cabe señalar que en CFE desde 1989 se ha efectuado un seguimiento
estadístico a una muestra promedio de 150 circuitos de distribución de 30 subestaciones en tres Divisiones, teniéndose
hasta la fecha un total de 12,797 fallas con un patrón de comportamiento como el que se indica a continuación:
Fallas permanentes: 10%
Fallas transitorias: 90%
Fallas transitorias liberadas después del 1er. intento de restablecimiento: 90%
Fallas transitorias liberadas después del 2do. intento de restablecimiento: 6%
Fallas transitorias liberadas después del 3er. intento de restablecimiento: 3%
Fallas transitorias liberadas después del 4to. intento de restablecimiento: <1%
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Tipos de fallas
Un sistema eléctrico a prueba de fallas no es práctico ni económico. Los sistemas eléctricos modernos que como práctica
son construidos con altos niveles de aislamiento, tienen suficiente flexibilidad para que uno o más de sus componentes
puedan estar fuera de operación afectando en forma mínima la continuidad del servicio. Adicionalmente a las
deficiencias de aislamiento, las fallas pueden ser el resultado de problemas eléctricos, mecánicos y térmicos o
combinación de algunos de éstos.
Tipos de fallas y causas
Para asegurar una adecuada protección, las condiciones existentes en un sistema durante la ocurrencia de diversos tipos
de fallas deben ser comprendidas claramente. Estas condiciones anormales proporcionan los medios de discriminación
para la operación de los dispositivos de protección.
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Los dispositivos de protección deben operar para los siguientes tipos de falla:
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Las conocidas como fallas paralelo (o shunt), las cuales tienen la probabilidad de ocurrencia indicada en la Tabla
1.2, para sistemas de distribución aéreos con conductor desnudo.
A menos que sean precedidos o causados por una falla, los circuitos abiertos (fallas serie) en sistemas eléctricos
no ocurren con frecuencia. Consecuentemente muy pocos dispositivos de protección (relevadores
fundamentalmente) son diseñados específicamente para proporcionar protección contra circuito abierto.
Es posible encontrar una excepción en los sistemas de media tensión donde un fusible puede estar abierto. Otro
caso particular se encuentra en los sistemas de extra alta tensión donde los interruptores están equipados con
mecanismos independientes de manera monopolar.
Para fallas simultáneas en dos partes de un sistema, generalmente es imposible para un dispositivo de protección
el operar adecuadamente bajo todas las condiciones. Si ambas fallas simultáneas están dentro de la zona de
operación de la protección al menos uno de los elementos de detección de la misma operará adecuadamente,
con la subsecuente operación secuencial de todas protecciones que están "viendo" las fallas.
Cuando ambas fallas aparecen simultáneamente dentro y fuera de la zona de cobertura de protección, algunos
equipos presentan una dificultad para determinar si deben actuar o no. Afortunadamente las fallas simultáneas
no ocurren con frecuencia y no representa un caso significativo de operaciones incorrectas.
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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 instrumento
• Tipo de falla (trifásica, de una fase a tierra, etc.)
• Crecimiento de la carga y del sistema
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Con base al análisis de cada uno de los factores anteriores se pueden definir las zonas de protección necesarias
para cada elemento del sistema 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 1.7 muestra el sistema de distribución con las siguientes zonas de protección traslapadas:
• Zona de protección de líneas de sub-transmisión (1)
• Zona de protección de barras de alta tensión (2)
• Zona de protección de transformadores de potencia (3)
• Zona de protección de circuitos de distribución (4)
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La Figura muestra los equipos de seccionamiento localizados en las interconexiones entre elementos del sistema
eléctrico, esta previsión hace posible desconectar solo el elemento fallado, en ocasiones al omitirse un
dispositivo de seccionamiento entre dos elementos adyacentes, se obtiene una desconexión de ambos cuando
se presente una falla en cualquiera de los dos. Estos dispositivos están clasificados en: protección primaria y
protección de respaldo.
La protección primaria es la primera línea en operar, mientras que la protección de respaldo solo opera cuando
falla la protección primaria, las dos inician al mismo tiempo solo que operan cuando la primaria no responde.
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. La Figura muestra de forma especial las zonas
superpuestas, donde su operación viene definida por el tiempo de operación (t), esto significa que las zonas de
protección interiores operan más rápido que las exteriores. Otro parámetro que interviene en el límite de
actuación de una zona de protección es la sensibilidad a la magnitud de corriente, que es el valor mínimo de falla
que detecta el dispositivo de protección, si se considera el eje (Y) para el tiempo y el eje (X) para la magnitud de
corriente, es posible representar de manera gráfica la actuación de cada protección en sus zonas primaria y de
respaldo.
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Características funcionales de la protección
La aplicación lógica de un sistema de protección divide al sistema eléctrico en varias zonas, cada una de las
cuales requiere en particular de su propio esquema de protección. En todos los casos las características indicadas
a continuación son comunes a cualquier criterio óptimo de diseño para lograr un eficiente sistema de protección.
Desde luego que es impráctico el satisfacer completamente la totalidad de estos criterios de manera simultánea,
siendo necesario un compromiso el evaluar cada una de las características en base a una comparación de
riesgos.
Confiabilidad
La certeza que el sistema de protección va a realizar sus funciones en forma correcta. La confiablidad del sistema
de protección consta de dos componentes:
I. Dependabilidad: es la probabilidad de no tener una falla de operación cuando exista un problema del sistema.
II. Seguridad: es la habilidad del sistema para evitar la incorrecta operación de la protección con o sin fallas
(habilidad para no tener una operación indeseada, no requerida) o dicho de otra manera, corresponde a la
estabilidad que debe mantener una protección bajo condiciones de "no falla" o ante la presencia de fallas fuera
de su zona de protección (fallas "externas").
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Desafortunadamente estos dos aspectos de la confiabilidad tienden a oponerse uno al otro; el incremento de la
seguridad produce una reducción de la dependabilidad y viceversa. Sin embargo, generalmente los sistemas
modernos de protección son altamente confiables y proveen un compromiso práctico entre seguridad y
dependabilidad.
Rapidez
Un dispositivo de protección que pudiera anticiparse a una falla sería una utopía incluso si estuviera disponible,
habría siempre la duda sobre su decisión para determinar con certeza si una falla o problema requiere de un
"disparo". El desarrollo de dispositivos de protección más rápidos debe siempre ser evaluado en comparación al
incremento en la probabilidad de un mayor número de operaciones no deseadas o inexplicables.
El tiempo es un excelente criterio para descartar entre un problema real y uno falso. Aplicando esta característica
en particular a un dispositivo de protección, la "alta velocidad" indica que el tiempo usual de operación no
excede los 50 milisegundos (3 ciclos). El término "instantáneo" indica que ningún retardo es introducido a
propósito en la operación. En la práctica, "alta velocidad" e "instantáneo" son frecuentemente usados de manera
indistinta.
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Economía
Un dispositivo de protección que tiene una zona de influencia perfectamente definida, provee una mejor
selectividad pero generalmente su costo es mayor. Los dispositivos de protección de alta velocidad ofrecen una
mayor continuidad del servicio al reducir los daños provocados por una falla y los riesgos al personal, por tanto
tienen un costo inicial mayor.
El más alto desempeño y costo no pueden ser siempre justificados. Consecuentemente, dispositivos de
protección de baja y alta velocidad son usados para proteger un sistema eléctrico. Ambos tipos pueden
proporcionar una alta confiabilidad.
Simplicidad
No siempre el sistema de protecciones debe de ser simple, ya que si existen pocos elementos puede representar
una mala operación. Por lo que una mayor economía puede ser posible con un sistema de protección complejo
que use un número mínimo de elementos.
Selectividad
En un sistema eléctrico el sistema de protección debe de ser diseñado por zonas, las cuales deben de ser capaces
de seleccionar y disparar únicamente los dispositivos de desconexión adyacentes a la falla. Por lo que esta acción
es llama discriminación y se logra generalmente mediante dos métodos:
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Esquema de coordinación por tiempo
Esquemas de protección en zonas adyacentes son ajustados para operar en forma secuencial o con diferentes
tiempos, para que durante la ocurrencia de una falla, algunos de ellos respondan al disturbio, únicamente
aquellas protecciones adyacentes a la zona de falla completarán su función de disparo. Los otros dispositivos no
completarán tal función y posteriormente se restablecerán.
Esquema unitario
Es posible diseñar sistemas de protección que respondan únicamente a las condiciones de falla ocurridas dentro
de una zona claramente definida. Esta "protección unitaria" o "protección restringida" puede ser aplicada a
través de todo el sistema eléctrico sin involucrar la coordinación por tiempo, pudiendo ser relativamente rápido
en su operación, para cualquier ubicación de falla.
Este tipo de esquema es logrado usualmente por medio de una comparación de aquellas cantidades eléctricas
presentes en los límites de la zona a proteger. Ciertos esquemas de protección derivan su propiedad de
"restricción", de la configuración del sistema eléctrico y pueden también ser considerados como "protección
unitaria".
Independientemente del método a usar, debe mantenerse siempre presente que la selectividad no es
meramente responsabilidad del diseño de la protección.
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También depende de la correcta selección de ajustes y de la coordinación entre protecciones, para lo cual es
necesario tomar en cuenta los rangos posibles en que pueden variar las corrientes de falla, la máxima corriente
de carga, las impedancias del sistema y otros factores relacionados.