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CAP. 12 Esquemas de Automatización
CAP. 12 Esquemas de Automatización
CAP. 12 Esquemas de Automatización
12.1 INTRODUCCIÓN
sentido, los esquemas de recierre automático de líneas de transmisión resultan de gran ayuda
para mantener la configuración de la red y la continuidad del servicio, aumentando la
confiabilidad del sistema de transmisión.
El éxito de un recierre automático depende en gran medida de una buena selección y puesta en
operación tanto del esquema de protección como del esquema de recierre, pues ambos están
íntimamente ligados. Por lo tanto, el recierre debe considerarse como parte esencial del
esquema de protección en todo el sistema de transmisión.
SIMBOLOGÍA
El relé de chequeo o verificación de sincronismo comprueba que las tensiones en los dos lados
de un interruptor sean aproximadamente las mismas en magnitud y en fase. Estos relés
supervisarán automáticamente el cierre de un interruptor (Figura 12.1).
El ajuste del relé se basa en la diferencia angular entre las dos tensiones y se diseña para
minimizar el choque en el sistema
cuando se cierra el interruptor. Sin embargo, la diferencia angular no es la que determina el
transitorio al que se somete el sistema con el cierre del interruptor. Mas bien el choque en el
sistema se relaciona con la tensión a través de los contactos del interruptor (que es la cantidad
que determina cuando el interruptor está listo para cerrarse).
12-3
La función principal del relé de verificación de sincronismo es asegurar que antes de cerrar el
interruptor, los dos sistemas estén cerca del sincronismo. El ajuste normal es 20º, el cual puede
incrementarse hasta 60º (en caso de que este ángulo no perturbe el sistema, por ejemplo en
líneas largas).
Los relés de verificación de sincronismo deben estar equipados con los relés de baja tensión,
necesarios para permitir el cierre ó recierre de un interruptor cuando la línea ó la subestación
estén desenergizadas, que es lo que normalmente se define como cierre ó recierre con la línea
ó barra muerta. En la actualidad este relé puede venir incorporado en el relé de distancia al
igual que el relé de recierre.
Figura 12.1
Los estudios, en el caso de líneas a 500 kV, deben tener especial énfasis en el análisis de las
sobretensiones transitorias que se presentan por energización de bancos de transformadores
por el lado de 500 kV. Deben considerarse además los mandos sincronizados de interruptores
como mecanismo para la reducción de corrientes magnetizantes, cuando estos son usados en
transformadores.
La verificación del sincronismo para el cierre de una línea, puede ser una condición que
sistémicamente produzca un bloqueo dependiendo de las condiciones de magnitud, ángulo y
desviación de frecuencia.
El análisis consiste en determinar de acuerdo con estudios eléctricos realizados por el CND cuál
es el lugar más favorable para realizar sincronización y cuál para energizar, bajo las
condiciones de demanda más críticas. Los criterios para el análisis se fundamentan en las
diferencias de tensión, frecuencia y ángulo, tratando de mantener ciertos límites que se han
establecido de la experiencia operativa: ∆V < 20 kV, ∆f < 100 mHz y ∆φ < 25º. Desde el punto
de vista de la sobretensión, la sincronización se debe realizar donde ésta no exista. La
recomendación final es una valoración global de éstos aspectos.
El proceso para valorar dichos aspectos es un estudio que consta de dos fases, la primera
consiste en realizar una falla trifásica en una barra provisional ubicada a 100m de la barra de la
línea local en estudio, se despeja la falla y seguidamente se recierra en el otro extremo de la
línea para luego visualizar las diferencias de Tensión (∆V), Frecuencia (∆f), Ángulo (∆φ y
verificar la existencia de sobretensión en el extremo abierto. Superada esta fase se procede de
forma similar para la barra ubicada al otro extremo de la línea.
ajustarse los verificadores de sincronismo, de tal forma que permitan el sincronismo sin poner
en peligro la estabilidad ó la integridad de los equipos.
Los sistemas de recierre automático se implementan para restaurar la parte fallada del sistema
de transmisión, una vez que la falla se ha extinguido. En algunos sistemas de transmisión, el
recierre se utiliza para mejorar la estabilidad del sistema, dado que es un medio de restaurar
rápidamente trayectorias críticas de transmisión de potencia.
12.3.1.1 TRANSITORIAS
Otras posibles causas son el balanceo de los conductores por el viento, aves, contactos con
objetos extraños tales como árboles, etc. Como promedio se estima que aproximadamente el
80 - 85% de las fallas de la línea son transitorias (entre transitorias y semipermanentes) y que
el recierre es exitoso en el primer intento.
12.3.1.2 SEMIPERMANENTES
12.3.1.3 PERMANENTES
Son aquellas para la desionización de la trayectoria de falla dependiendo del tiempo de arco, de
la magnitud de la corriente de falla, de las condiciones de viento, humedad y presión del aire, de
la tensión del circuito, del acoplamiento con conductores adyacentes, siendo la tensión del
circuito el factor predominante.
12.3.2 DEFINICIONES
!" Tiempo de Perturbación del Sistema: Es el tiempo entre el comienzo de una falla y el
cierre de los contactos del interruptor.
!" Tiempo Muerto: Es el intervalo de tiempo en el cual el arco de la falla ha sido extinguido
y el interruptor es cerrado nuevamente por medio de un esquema de recierre automático.
El recierre automático requiere un tiempo muerto que exceda el tiempo de desionización.
Las líneas de transmisión largas con disparo y recierre automático monofásico requieren
un tiempo muerto ligeramente mayor que para un disparo trifásico, ya que el enlace
capacitivo de las fases resulta en un tiempo de desionización más largo. Normalmente
existen tres niveles de tiempo muerto:
12-7
Recierre automático de alta velocidad con tiempo muerto ≤ 0.8 s; es utilizado para
recierres monofásicos y trifásicos. Se requiere un sistema de protección piloto para
asegurar la apertura simultánea de los interruptores en los extremos de la línea. No se
realiza verificación del ángulo de fase y de la diferencia de tensión, excepto en recierres
trifásicos.
Recierre automático de alta velocidad con tiempo muerto entre 0.8 y 2 s; se utiliza para
recierres monofásicos y trifásicos cuando no existe esquema piloto. Es necesario esperar
el tiempo de operación de la segunda zona, si la línea está alimentada de ambos lados.
Generalmente la tensión con su ángulo no se verifican a menos que sean líneas de
interconexión.
Recierre automático lento con tiempo muerto entre 2 s y 3 min; se utiliza normalmente
para recierre trifásico, principalmente en circuitos de distribución. Con líneas alimentadas
por ambos extremos es necesario verificarla tensión con su ángulo y en ciertos casos la
frecuencia.
Este tiempo también es conocido como tiempo de bloqueo ya que es aquel durante el
cual se bloquea un nuevo arranque del equipo de recierre automático. Si todos los
intentos de recierre se han ejecutado, la línea esta energizada y ocurre una nueva falla
antes de que el tiempo de bloqueo se complete, el equipo de recierre se bloquea,
obteniéndose el disparo definitivo del interruptor. Si el interruptor se cierra manualmente,
el equipo de recierre se bloquea hasta que el tiempo de bloqueo termine. El recierre se
bloquea también si el interruptor no esta preparado para recerrar ó si el canal de
comunicación está fuera de servicio.
!" Duración de la Falla: Los relés de protección con tiempos de disparo cortos y los
interruptores de alta velocidad influencian positivamente la probabilidad de un recierre
12-8
En la Figura 12.2 se ilustran las definiciones de los términos utilizados en el campo de los
recierres.
Figura 12.2
SIMBOLOGÍA
12-9
El relé de recierre funciona con la información suministrada por las protecciones de la línea, las
cuales le indican si el tipo de falla presentada en la línea, permite que ésta pueda ser cerrada o
puesta en servicio nuevamente. Esta información, relacionada con el tipo de falla, (monofásica,
bifásica ó trifásica) y con su evolución en el tiempo, determina si la falla requiere un disparo
definitivo de la línea ó si por el contrario se puede hacer un intento de cierre. Esta información
determina además cuál ó cuáles fases fallaron, con lo cual el recierre puede supeditarse a la
fase afectada únicamente.
El esquema de protecciones es el que debe garantizar que ante una falla al interior de la línea,
los interruptores de los extremos abran con el menor tiempo posible y que lo hagan
selectivamente (fase fallada y línea afectada). En las protecciones de la línea esto puede ser
realizado con la ayuda de canales de teleprotección, a través de los cuales las protecciones de
línea de ambos extremos intercambian información para permitir la rápida apertura de los
interruptores, de tal manera que el tiempo que dura la falla se disminuya y que se permita un
rápido enfriamiento del arco producido por la falla, evitando que el recierre del interruptor de uno
de los extremos ocurra con la línea aún en falla.
En algunos casos las protecciones permiten operar los interruptores simultáneamente sin
necesidad de utilizar los canales de teleprotección, programando las protecciones de la línea
para que éstas protejan un poco más allá de la línea. En resumen, el éxito de un relé de recierre
depende en gran medida del esquema de protecciones implementado en la línea.
Una vez que el interruptor ha cerrado el relé de recierre permanece bloqueado durante un
tiempo (tiempo de reclamo) con el fin de que el interruptor quede en condiciones óptimas para
iniciar un nuevo ciclo de recierre. Así, ante la ocurrencia de cualquier falla durante ese tiempo,
se ocasionará un disparo definitivo de la línea.
12-10
Estas decisiones dependen de aspectos tales como el tipo de protección, tipo de interruptor, la
naturaleza del sistema y la posibilidad de problemas de estabilidad, así como los efectos
secundados sobre los consumidores finales.
Un conocimiento adecuado de las características y de los tiempos de desionización del arco son
necesarios para asegurar la factibilidad de un recierre en cualquier caso. Los factores
principales que influyen en el comportamiento del recierre son:
Las protecciones de líneas requieren ser de alta velocidad con tiempos de operación del orden
de 20 y 40 ms. En conjunto con las protecciones rápidas, la velocidad de operación de los
interruptores reduce la duración del arco primario y por ende la duración del tiempo total de
perturbación del sistema.
Es muy importante que los interruptores de ambos extremos de la línea, en la cual está
montada el esquema de recierre, abran en el menor tiempo posible en ambos extremos.
Cualquier tiempo de diferencia durante el cual uno de los interruptores sea abierto antes que el
otro, representa una reducción efectiva en el tiempo muerto y puede arriesgar las oportunidades
de un recierre exitoso. Para ello las líneas deben contar con esquemas de protección
adecuados que permitan que la operación de los interruptores de ambos extremos sea rápida.
Tales esquemas son utilizados en el sistema de transmisión colombiano (220 kV y 500 kV), en
donde se acostumbran esquemas de protección con protecciones de distancia ayudados por
esquemas de teleprotección, que garantizan la rápida operación de los interruptores de ambos
extremos, ante una falla al interior de la línea.
El interruptor debe ser capaz de soportar un recierre ante fallas permanentes sin deteriorar su
capacidad de interrupción y sin ser dañado. De igual manera, el tiempo de operación del
interruptor debe ser lo suficientemente corto para garantizar que el camino de falla se ionice lo
menos posible y por lo tanto incrementar la posibilidad de un recierre exitoso.
En subestaciones con una configuración de dos interruptores por línea como la de interruptor y
medio, se acostumbra efectuar la maniobra de recierre con el interruptor de la barra; si el
recierre es exitoso se recierra el interruptor del centro después de verificar los respectivos
enclavamientos.
Hoy en día se cuenta con diferentes tecnologías de interruptores que ofrecen tiempos de
operación muy cortos. En la mayoría de las subestaciones del sistema de transmisión
colombiano, se cuenta con interruptores con tecnología de aislamiento en SF6, los cuales
garantizan su total capacidad de interrupción en un cierre después de un tiempo muerto de
cerca de 0.3 s.
Otro punto importante con respecto al interruptor, tiene que ver con los requerimientos de
mantenimiento. Los intervalos de mantenimiento dependen de la relación entre la capacidad de
interrupción del interruptor y el nivel de cortocircuito del sistema. La tendencia moderna es hacia
el mínimo número de mantenimientos y hacia los mantenimientos predictivo y basado en
confiabilidad, buscando tener el mínimo tiempo fuera de servicio al interruptor.
12-13
En los esquemas de recierre rápido, es muy importante conocer el tiempo para el cual la línea
debe estar desenergizada, con el fin de garantizar la completa desionización de la trayectoria de
la falla, de tal manera que se evite el reencendido del arco al energizar nuevamente la línea.
El tiempo de desionización depende de diversos factores tales como la tensión del sistema, el
espaciamiento entre conductores, la corriente de falla, la duración de la falla, la velocidad del
viento y el acople capacitivo con los conductores adyacentes. De todos estos el más importante
es la tensión del sistema, y como una regla general entre mayor sea el tensión mayor será el
tiempo requerido para la desionización.
En líneas de Extra Alta Tensión (EAT) con recierres monofásicos y trifásicos, se requiere de un
tiempo muerto mayor para el recierre monofásico que para el recierre trifásico, ya que el enlace
capacitivo de las fases sanas con la fase fallada, resulta en un tiempo de desionización más
largo.
En efecto, cuando se abre una sola fase en ambos extremos, las otras dos fases sanas, vía el
acople capacitivo, continúan alimentando el arco de la falla. Se ha establecido que si dicho arco,
llamado arco secundario, tiene una corriente superior a 20 A rms, ó si la tensión que queda en
el punto de la falla cada que el arco se extingue (lo hace cada que cruce por cero), denominada
tensión residual o de recuperación, supera los 30 kV rms, la probabilidad de que el arco se
auto-extinga es muy baja.
Puede ocurrir también que al momento de la falla se establezca una componente de corriente
continua de falla, que una vez que se abran los interruptores extremos impide que la corriente
alterna del arco secundario logre tocar el cero y así, aunque se den las condiciones de baja
12-14
corriente alterna de arco secundario y de baja tensión de recuperación, se debe esperar a que
el nivel de directa haya decaído hasta que permita que la corriente alterna toque el cero.
Las medidas efectuadas hasta ahora indican, no obstante, que los tiempos entre descargas
subsecuentes pueden tomar varias decenas de milisegundos. En estas circunstancias es
posible que un rayo y sus descargas subsecuentes puedan mantener ionizada la falla durante
varios cientos de milisegundos. Así, el tiempo muerto, en un país como Colombia, debe tener
una tendencia a llevarlo tan lejos como las condiciones de estabilidad y calidad del servicio lo
permitan, teniendo en cuenta de que las descargas atmosféricas son la causa más frecuente de
fallas en nuestro sistema de alta tensión.
La escogencia del tiempo muerto, depende más que de las características del interruptor, del
tiempo de desionización de la trayectoria de falla. Además, se debe tener en consideración que
en los sistemas de alta tensión, un recierre no exitoso puede ser más perjudicial para el sistema
que un no recierre.
El tiempo de recuperación o de bloqueo debe ser lo suficientemente amplio, de tal manera que
permita que el mecanismo de operación del interruptor quede listo para una nueva operación de
recierre. Este tiempo de operación depende del tipo de mecanismo de operación que utilice el
interruptor.
12-15
Existe una tendencia hoy en día de usar un recierre lento a los 5 minutos luego de fallido el
recierre automático. Esta tendencia pretende disminuir las penalizaciones por indisponibilidad
que ha decretado la CREG. Las condiciones de este recierre se deben supeditar a cómo quedó
el sistema luego del primer recierre fallido, es decir, el permiso que pueda dar el CND para
hacer el reintento por condiciones de seguridad del sistema y a las condiciones de sincronismo
que se den en el último interruptor que intente cerrar, porque el sistema puede estar aislado ó el
ángulo de las tensiones puede no permitir el cierre.
Una red con una capacidad de transmisión limitada puede ser definida como una red débil. En
sistemas de este tipo, como podría relativamente considerarse el caso del sistema de
transmisión colombiano, es muy importante realizar recierres rápidos, de tal manera que no se
vea comprometida la estabilidad del sistema, ni se pierdan cargas importantes. La pérdida de
una línea importante en una red débil puede llevar a un colapso en el sistema. Para asegurar
que un recierre no comprometa la estabilidad, es muy importante tener un tiempo muerto tan
corto como sea posible. Para ello se debe contar con sistemas de protección adecuados,
acompañados de una operación aproximadamente simultánea en ambos extremos de la línea
para asegurar que los tiempos de desionización sean lo más cortos posibles.
En el caso de una línea que sea el único enlace entre dos áreas de la red de potencia que
tienen su propio sistema de generación, es preferible utilizar esquemas de recierre monofásico
rápido ante fallas monofásicas en la línea. De otra manera, existe el riesgo que ambas
secciones queden independientes, afectando por lo tanto, la estabilidad y el sincronismo del
12-16
Figura 12.3
12-17
Las ventajas de un recierre monofásico rápido pueden ser resumidas básicamente como su
baja influencia en la capacidad de transferencia de la línea, lo cual significa que el sincronismo y
la estabilidad en el sistema pueden ser mantenidas, es decir que no requieren verificaciones de
sincronismo porque las otras dos fases siguen conectadas al sistema completo.
Una de las principales desventajas del recierre monofásico tiene que ver con los largos tiempos
de desionización en líneas de Extra Alta Tensión, debidos al acople capacitivo entre la fase
fallada y las fases sanas, lo cual hace que el arco demore más tiempo en extinguirse. Además
puede causar interferencias en los sistemas de comunicación y fallas en los esquemas para
protección ante fallas a tierra en las líneas en doble circuito.
Los recierres demasiado lentos pueden, en casos donde no se haya verificado una adecuada
coordinación de dichos recierres con las protecciones de respaldo de esa u otras líneas
vecinas, por sobrecorriente direccional a tierra, producir disparos indeseados de tales
protecciones por el excesivo tiempo muerto.
El proceso que se lleva a cabo consta de dos fases, la primera consiste en simular una falla
trifásica en una barra provisional ubicada a 100 m de la barra de la línea local en estudio, se
despeja la falla y seguidamente se cierra en el otro extremo de la línea para luego visualizar las
diferencias de tensión, frecuencia, ángulo y verificar la existencia de sobretensión en el extremo
abierto. Superada esta fase se procede de forma similar para la barra ubicada al otro extremo
de la línea.
El análisis consiste en determinar cuál es el lugar más favorable para realizar la sincronización y
cuál para energizar, bajo las condiciones de demanda más criticas. Los criterios para el análisis
se fundamentan en las diferencias de tensión, frecuencia y ángulo, tratando de mantener ciertos
12-18
límites que se han establecido de la experiencia operativa de ISA: ∆V < 20 kV, ∆f < 100 mHz y
∆φ < 25º. Desde el punto de vista de la sobretensión, la sincronización se debe realizar donde
ésta no exista, la recomendación final es una valoración global de estos aspectos unidos con
los mencionados antes.
Estos problemas se reflejan en la mala operación del relé ante una falla en la línea, debido muy
probablemente a problemas en la simulación que decidió los parámetros de ajuste. Eso se
explica diciendo que muchas veces ante una apertura trifásica el relé de recierre no operó
debido a problemas en la sincronización, en la cual los parámetros medidos por este relé fueron
mayores que los implementados en el ajuste. Muy comúnmente se ha visto que la mala
operación de los relés de recierre es ocasionada básicamente por un estudio insuficiente en la
exploración de las topologías de la red posibles.
Es muy importante conocer cómo funciona el relé de recierre de la aplicación particular, así
como el esquema de protecciones implementado, de tal manera que se garantice una correcta
operación ante una falla en el esquema de protecciones. Es frecuente también encontrar una
serie de problemas de hardware y software que revelan el desconocimiento del personal en la
instalación y ajuste de estos relés.
12-19
#"Problemas de Conexión
La falta de éxito en los recierres es debida en algunos casos a problemas de la conexión de las
señales al relé, también a un mal diseño en el esquema de recierre.
Las señales mínimas de entrada y de salida de un relé de recierre son las siguientes:
Entradas:
$" Arranques por fase del relé de recierre dados por las protecciones de línea.
$" Bloqueo del relé de recierre dado por las protecciones de línea.
$" Bloqueo del relé de recierre por anomalía en el mecanismo de operación del interruptor.
Salidas:
$" Señal de recierre.
$" Bloqueo de las protecciones de falla a tierra ante un ciclo de recierre monofásico.
#"Problemas de programación
Algunos relés de recierre vienen integrados con el relé de protección de línea, posibilitando una
mejor coordinación con los mismos. En los relés independientes se debe tener mucho cuidado,
sobretodo en esquemas de subestaciones en anillo e interruptor y medio donde una línea es
alimentada por dos interruptores y se requiere establecer cual de los dos interruptores será el
maestro y cuál el esclavo. Con frecuencia se encuentran problemas de lógica de cableado y
programación que afectan el buen desempeño de estos relés.
12-20
#"Problemas de fabricantes
Es una realidad que en el mercado se encuentran relés que no funcionan bien (problemas de
calidad en la fabricación y sus componentes). Se prueban y todo funciona, pero en la hora de
requerirlos, por extrañas y nunca bien explicadas razones, el relé deja de operar bien
El ajuste del relé de recierre se realiza teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:
#" De acuerdo con los estudios de sincronización realizados, el relé debe hacer el recierre
trifásico en condiciones de Barra Viva - Línea Muerta, Barra Viva - Línea Viva ó con
verificación de sincronismo.
Los tipos principales en que pueden subdividirse los dispositivos de recierre automático son los
siguientes:
12-21
Se conoce como eficiencia del recierre automático la relación entre el número de recierres
exitosos y el número total de recierres.
Número de recierres exitosos
Eficiencia del recierre automático =
Número total de recierres
La efectividad del recierre es la relación entre el costo del daño evitado anualmente y el de su
instalación y mantenimiento.
Costo del daño evitado anualmente
Efectividad del recierre =
Costo de instalación y mantenimiento
En líneas aéreas los valores mínimos admisibles de intervalo sin potencia, que permiten la
desionización de la zona del arco de la falla son de 0.15 a 0.2 s para 110 kV, y de 0.35 a 0.4 s
para 500 kV. Para estos tiempos el recierre es exitoso en más del 50% de los casos, y para
tiempos mayores es aún más alta la eficiencia. En realidad los interruptores más difundidos
tienen tiempos de cierre de 0.5 a 1.2 s, y los tiempos de los dispositivos de recierre automático
son de 0.3 a 0.5 s.
Los tiempos de los equipos de recierre múltiple deben estar en los intervalos siguientes:
Intervalo de
Intentos
Tiempo
Primer Recierre 0.3 a 2 s.
Segundo Recierre 10 a 15 s.
A continuación se exponen los principales aspectos de los tipos más comunes de recierre
automático de líneas.
El recierre automático de líneas aéreas y de cables con alimentación por un solo extremo es
prácticamente obligatorio; en cables, los disparos se deben no sólo a fallas en el interior del
cable, sino también en sus conexiones, que generalmente son transitorias. Este recierre es casi
siempre múltiple (2 ó 3 recierres).
El recierre puede ponerse en funcionamiento a partir del cierre del contacto de la protección
que provoca el disparo ó a partir de la información de que el interruptor y su manija de control
están en posiciones distintas.
12-23
Las líneas que constituyen el único enlace entre plantas afectan la operación sincrónica del
sistema cuando se desconectan; esto debe tenerse en cuenta al analizar la problemática de su
recierre automático. A continuación se presentan 5 casos posibles de este tipo de recierre.
interruptor 5 dispara, la planta se queda alimentando una carga adecuada para su capacidad.
Figura 12.4
medidas para descargarla y evitar su disparo. Para ello, en el interruptor 5 se dispone de una
protección direccional, controlada por un relé de baja frecuencia, que opera cuando la
frecuencia cae y la potencia activa está dirigida de C2 a C1. Los interruptores de AB y BC1
tienen recierre automático (RA); los recierres de 1 y 3 se hace con retardo de tiempo ó con
comprobación de ausencia de tensión, para esperar que ocurra el disparo de 5; en caso de que
no haya comprobación de ausencia de tensión, el disparo de 5 debe ser instantáneo (solamente
protección direccional de sobrecarga) para evitar la conexión asincrónica. En este caso las
líneas AB y BC1 se consideran como radiales, y el recierre se instala solo en 1 y 3. El recierre
Figura 12.5
Hay varios métodos para hacer que los equipos automáticos respondan al disparo de la línea de
suministro (no puede utilizarse con ese fin un relé de baja tensión, ya que la tensión cae muy
lentamente).
12-25
Se lleva a cabo con los mismos equipos que en líneas radiales. La protección de la línea debe
tener bloqueo de disparo por oscilaciones de potencia.
Los dispositivos de recierre automático asincrónico deben coordinarse con los de disparo
intencional por pérdida de sincronismo, si se utilizan. Para ello, estos últimos dispositivos
deben tener un retardo de 15 a 20 s, con lo que se evita el disparo subsiguiente al recierre
asincrónico, a menos que el sincronismo no se alcance.
Su objetivo es provocar el recierre antes de que el ángulo δ alcance el valor crítico δcr más allá
del cual se pierda la estabilidad; puede también darse el caso de recierre asincrónico (δ > δcr),
pero bajo condiciones mucho menos severas que con el recierre automático asincrónico normal.
12-26
Para este recierre se requieren interruptores rápidos. Debido al pequeño valor del intervalo sin
potencia, el recierre es exitoso por lo general para cortocircuitos de corta duración (como los
debidos a descargas atmosféricas). La protección en este caso debe ser instantánea y tener
bloqueo de disparo por oscilaciones de potencia; esto se debe a que los valores del tiempo
crítico pueden ser muy pequeños (por ejemplo, 0.23 s en un caso concreto).
Se utilizan en líneas de enlaces simples (ó con otros enlaces paralelos de baja capacidad)
cuando no se pueden aplicar los recierres asincrónicos ó de alta velocidad. Este dispositivo
comprueba las diferencias de frecuencias y de ángulo entre las tensiones y permite el recierre
para diferencias de frecuencias de hasta un 4% y de ángulo de hasta 60º, con lo que no hay
grandes perturbaciones en el sistema.
En estos casos el recierre puede tener un retardo mayor que en un enlace simple, pues el
disparo de la línea no elimina totalmente el flujo de potencia entre partes del sistema, sin
embargo, ese tiempo no puede ser muy grande, para evitar sobrecargas ó pérdidas de
sincronismo.
Cuando entre dos partes de un sistema complejo hay dos líneas de enlace diferentes, es
posible que una de ellas esté fuera de servicio cuando la segunda falla. Por ello se recomienda
que el cierre a utilizar en este caso sea alguno de los utilizados en las líneas de enlace simple
(asincrónico, de alta velocidad, con verificación de sincronismo, etc).
12-27
Cuando entre dos partes de un sistema complejo hay tres ó más enlaces fuertes, el recierre de
cualesquiera de estas líneas se hace como si fuera radial, pues el sincronismo se asegura por
los restantes enlaces.
Este recierre constituye una alternativa posible para las líneas de enlace simple (sobre todo las
muy cargadas), ya que durante la apertura de una sola fase se mantiene la transferencia de
potencia (reducida aproximadamente al 67%), lo que aumenta considerablemente los limites de
estabilidad. La operación es generalmente como sigue:
Para cortocircuitos de una línea a tierra (que son los más frecuentes) la protección dispara
solamente la fase involucrada, la cual es posteriormente recerrada, y, si la falla persiste el
disparo siguiente es trifásico y sin recierre. A partir de allí queda en manos del personal de
operación decidir si opera ó no el sistema con fase provisionalmente abierta.
a) Necesita interruptores monopolares que son más complejos y caros que los tripolares.
b) Requiere protecciones más complejas, capaces de detectar las fases involucradas en la
falla.
c) Su esquema es más complejo.
Por estas razones, la utilización del recierre monopolar es restringida a los casos extremos de
líneas de enlace en que las otras variantes de recierre no pueden utilizarse.
Los recierres automáticos de barras son exitosos en aproximadamente un 65% de los casos y
por ello es muy recomendable su uso; cuando éste falta, es conveniente efectuar un recierre
manual después de la desconexión de la barra por acción de su protección. A continuación se
presentan tres variantes típicas de recierre automático en esquemas de barras.
12-28
Cuando opera la protección diferencial de barra se envía junto con la señal de disparo una
señal de bloqueo de los recierres de todos los interruptores, excepto uno, que realiza la función
de probar el aislamiento de barra. Este interruptor efectúa un recierre, sin que exista riesgo de
conexión asincrónica. Si el recierre es exitoso (lo que indica que la falla se eliminó), el personal
de operación puede restablecer las conexiones normales de la subestación.
Por lo general el recierre pone en servicio una protección sensible especial, ya que los niveles
de cortocircuito dados por la conexión de prueba son reducidos y la protección diferencial puede
no tener suficiente sensibilidad.
En ocasiones puede escogerse una conexión para la prueba, que garantice que la protección
diferencial tenga suficiente sensibilidad. Incluso la prueba puede hacerse desde dos líneas en
forma secuencial, dejando dos interruptores sin bloquear su recierre, y dando tiempos diferentes
a ambos (así se protege contra sobrecarga a la batería de la subestación).
Una variante simplificada que tiene gran aplicación, consiste en recerrar automáticamente las
líneas de salida y responsabilizar al personal del servicio con la posterior conexión de los
generadores y transformadores.
La función del recierre automático es en este caso restablecer el suministro después del disparo
de un transformador por cualquier causa, excepto por un cortocircuito interno. El tipo de recierre
se selecciona a partir de las mismas consideraciones que para las líneas (existencia de
alimentación por uno ó ambos extremos, etc.)
Cuando una subestación tiene un sólo transformador con alimentación por un extremo, el
recierre se considera obligatorio. En transformadores de tres devanados el recierre se instala en
cada interruptor, de modo que pueda ser puesto en funcionamiento por la operación de la
protección de respaldo del transformador.
Cuando una subestación cuenta con una sola fuente de alimentación y tiene dos
transformadores en paralelo, el recierre es obligatorio al menos en uno de ellos; si el disparo de
un transformador puede sobrecargar al otro, ambos deben tener recierre. En este caso es
conveniente que los recierres sean secuenciales para proteger la batería de la subestación y
para que exista un segundo intento de restablecimiento del servicio.
12-30
Cuando los transformadores operan separadamente, el recierre puede iniciarse por el respaldo
para fallas externas, mientras que la protección contra fallas internas efectúa la transferencia
automática al otro transformador de la subestación que no tiene falla.
En este caso existe el inconveniente de que puede haber recierre para cortocircuitos internos en
el transformador, lo que puede provocar un incremento de los daños. Este método es aplicable
cuando las protecciones son rápidas (ó cuando están aceleradas después del recierre).
En este caso se asegura el bloqueo para cortocircuitos internos; el tiempo del recierre debe ser
superior al de la protección de gas (de 3 a 5 s)
En este caso también se evita el recierre para cortocircuitos internos, pero no se asegura el
recierre para cortocircuitos en los terminales del transformador.
Para elevar la fiabilidad del suministro eléctrico, la alimentación a los consumidores se hace
desde dos ó más fuentes en el sistema eléctrico; sin embargo, esto complica la protección e
12-31
incrementa los niveles de cortocircuito (lo que implica mayores daños y menores tensiones
residuales, entre otros problemas).
La operación seccionalizada del sistema elimina los problemas, pero reduce su fiabilidad; esto
puede resolverse con la conexión automática de la alimentación de reserva. En condiciones
normales las fuentes de reserva pueden estar conectadas sin carga ó parcialmente cargadas.
En líneas aéreas esta combinación también da buenos resultados para la falla en la línea, si el
recierre no es exitoso, la línea se desconecta en el extremo de recepción y la carga se
transfiere automáticamente a otra línea de reserva, que alimentaba su propia carga.
Las estadísticas indican que las operaciones exitosas de la conexión automática de la reserva
son del orden del 90 al 95% del total. Su eficiencia depende de la rapidez con que se restablece
12-32
el proceso productivo, la que a su vez está relacionada con la duración de la interrupción del
servicio. En esto tiene gran influencia el problema de si los motores pueden ó no arrancar
exitosamente al restablecerse el suministro eléctrico.
Figura 12.6
SIMBOLOGÍA
∆P = PG − PC
Este desbalance afecta la velocidad de las máquinas y la frecuencia; el mantenimiento de la
frecuencia nominal se asegura mediante los regulares de las turbinas. El déficit de potencia
puede eliminarse siempre que haya una reserva móvil de energía disponible, o sea, si las
turbinas no están totalmente cargadas antes de la falla y si sus gobernadores no limitan los
incrementos de potencia; si no existe esa reserva, las máquinas se frenan.
12-34
Con la reducción de frecuencia baja también la carga, lo que reduce ∆P, hasta que se hace
PG f = PC f
La reducción de frecuencia resultante está dada por:
∆ F = Fi - Ff
El déficit inicial puede darse por:
∆P (%) = K ∆F (%) (12.1)
Donde:
PG − PC
∆P (%) = (100)
PC
Fi - Ff
∆F (%) = (100)
Ff
Y K es el coeficiente de regulación de frecuencia de la carga, que caracteriza la variación de la
carga con la frecuencia, y depende del tipo de carga, así como de la hora, día y época del año;
su valor oscila entre 1 y 3.5, con un valor medio comprendido entre 2 y 2.5.
La función de deslastre de carga por frecuencia (DCF) es evitar que la frecuencia llegue a un
valor crítico cuando hay déficit de potencia, mediante la desconexión de parte de la carga. De
esta forma el suministro a la mayoría de los consumidores se interrumpe y a las cargas
desconectadas puede restablecérsele el suministro en un plazo breve.
12-35
La desconexión de los consumidores se hace de modo que la frecuencia nunca baje de 55 Hz,
que la operación del sistema a menos de 57 Hz no exceda de 20 s y que la operación a menos
de 58.5 Hz no dure más de 50 segundos. Además, después de la operación del DCF, la
frecuencia se estabiliza en un valor comprendido entre 59 y 59.5 Hz, y los operadores la elevan
manualmente hasta 60 Hz.
Al ocurrir un déficit de potencia, la frecuencia comienza a bajar según la curva 1, hasta que en
Fa opera un primer grupo de DCF desconectando la carga P1. A partir del punto a, la frecuencia
cae según la curva 2; si al llegar a Fb opera otro grupo de DCF, el déficit se reduce
nuevamente. Si se hace negativo (PG > PC), la frecuencia comienza a aumentar (curva 3) y el
sistema comienza a recuperarse.
Figura 12.7
En la actualidad, el deslastre de carga por frecuencia (DCF) debe satisfacer requerimientos muy
exigentes, dadas las características de los Sistemas Eléctricos de Potencia modernos. Dichos
requerimientos son básicamente los siguientes:
12-36
!" El deslastre de carga por frecuencia debe eliminar las consecuencias de todas las fallas,
independientemente del valor del déficit de potencia, su extensión en el sistema y su
razón de crecimiento.
!" La magnitud de la carga desconectada debe ser siempre cercana a ∆P, es decir, el
deslastre de carga por frecuencia debe autoajustarse a este valor.
En la práctica se utilizan dos categorías fundamentales del deslastre de carga por frecuencia
(DCF):
a) DCF - I: Opera con alta velocidad, y tiene distintos ajustes de frecuencia, comprendidos
entre 58.5 y 56.5 Hz; tiene grupos uniformemente distribuidos en este intervalo, con una
separación mínima entre grupos de 0.1 Hz. Está concebido para detener el proceso de
disminución de la frecuencia.
b) DCF - II: Tiene un ajuste de frecuencia fijo (58.5 Hz) y distintos ajustes de tiempo
comprendidos entre 5 y 40 s (y hasta 90 s en algunos casos), en grupos separados por
intervalos de 3 a 5 s. Su objetivo es elevar la frecuencia después de la operación del
DCF - I; y también evitar reducciones lentas de frecuencia, cuando la generación es
reducida lentamente en condiciones de emergencia.
En sistemas grandes puede utilizarse, además, una categoría auxiliar de deslastre de carga por
frecuencia (DCF) que entra en funcionamiento para valores grandes de ∆P (45% ó más),
provocados por la separación de una planta grande del sistema.
La carga a desconectar debe determinarse a partir del mayor déficit posible del sistema ∆Pmáx.
∆PDCF - I = Ks ∆Pmáx
Ks = 1.05
12-37
Las cargas más importantes deben conectarse a los grupos de DCF - I de menores frecuencias
de operación, y a los DCF - II de mayores tiempos de operación.
Es conveniente adaptar la operación del DCF - I y el DCF - II para desconectar las mismas
cargas, de modo que una carga dada pueda ser disparada instantáneamente y con retardo de
tiempo. En situaciones de emergencia este sistema asegura una mejor secuencia de operación
de los grupos de carga considerando su importancia.
Los equipos de deslastre de carga por frecuencia (DCF) pueden instalarse en los consumidores
si su número es alto, pero siempre es conveniente disponer de un número de ellos en las líneas
que salen de las subestaciones de transmisión, para tener un margen de operación.
Las unidades del recierre automático por frecuencia tienen también grupos de cargas, cuyos
ajustes de frecuencia van de 59.2 a 60 Hz, y cuyo ajuste inicial de tiempo es de 10 a 20 s; el
ajuste final de tiempo depende de las condiciones del sistema. Los intervalos de tiempo entre
grupos son del orden de 5 s; la carga se distribuye casi uniformemente entre grupos.
12-38
Como complemento a los equipos de deslastre de carga por frecuencia (DCF) que responden a
la frecuencia se han desarrollado equipos de DCF que responden a la derivada de la
frecuencia, para provocar desconexiones adicionales de carga cuando hay caídas muy bruscas
de frecuencia.
En los últimos años se ha venido trabajando en el uso del computador para realizar funciones
de carga por frecuencia.
12-39
$ EJEMPLO 12.1:
En este ejemplo se presentará la selección de las protecciones adicionales a las de línea para
el caso del ejemplo 7.1
Figura 12.8
Subestación A:
• Relé falla interruptor: ALB 09
• Relé de recierre y verificación de sincronismo: PAT 06
• Relé de disparo y bloqueo: AUG 07
• Protección de sobre/baja tensión: DAV 05
Subestación D:
• Relé falla interruptor: ALB 09
• Relé de recierre: CAR 10
• Relé de verificación de sincronismo: CRI 08
Esta función se activa después de que todos los polos del interruptor han estado muertos
durante 110 segundos. Se activa durante 512 ms seguidos al cierre del interruptor.
12-40
En el caso del recierre la lógica TOR se habilita después que algún polo del interruptor ha
estado muerto por 200 ms, esta lógica emplea los detectores de la función de cierre en falla
(SOTF); la cual provee protección instantánea fase - fase y fase - tierra. Su ajuste se realiza
con la impedancia de secuencia positiva de la línea en valores secundarios, debe asegurarse
que cubra completamente la línea y por lo tanto su valor de ajuste oscila entre 120 y 150% de la
impedancia de la línea, siendo este último el valor más aceptable.
Su ajuste se realiza con el valor de la mínima corriente de falla en el otro extremo de la línea,
esto con el fin de garantizar que el relé de falla interruptor esté arrancado para el caso de que el
interruptor de la línea no opere ante orden de apertura.
12-41
Se efectúan fallas en el extremo remoto para determinar la mínima corriente de falla que “verá”
el relé con una resistencia de falla de 10 Ω.
1) Se toma el 60% del menor valor obtenido (Corriente total de aporte a la falla, es decir,
I1 + I 2 en subestaciones de configuración de interruptor y medio. Ver Figura 12.9.
I1 I2
I1+I2
CIRCUITO 1 CIRCUITO 2
Figura 12.9
Se efectúan fallas en el extremo remoto para determinar la mínima corriente de falla que “verá”
el relé con una resistencia de falla de 10 Ω.
La temporización será:
Etapa 1 : 150 ms (Opera sobre el propio interruptor).
Etapa 2 : 250 ms (Opera sobre todos los interruptores asociados a la barra respectiva).
I de falla fase-fase por la línea a proteger para una falla en D 1449 [A]
I de falla monofásica por la línea a proteger para una falla en D 1189 [A]
I de falla trifásica por la línea a proteger para una falla en A 889 [A]
I de falla fase-fase por la línea a proteger para una falla en A 977 [A]
I de falla monofásica por la línea a proteger para una falla en A 834 [A]
C) SOBRETENSIÓN
a un segundo para una sobretensión igual a 1.2 p.u. con un valor de arranque correspondiente
a 1.1 p.u. (donde la tensión base es 230 kV).
DAV 05. En la subestación D se empleará la función de sobretensión del relé ORL 03.
Para la verificación de sincronismo se emplea el relé CRIS 05 y el relé tipo CAR 10 realiza la
función de recierre en la subestación D y en la subestación A el relé PAT 06 realiza ambas
funciones de verificación de sincronismo y recierre.
.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] “Introducción a los Relés de Protección”. Carlos Felipe Ramírez G.,Mejía Villegas S.A.,
Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, 1987.
[2] “Applied Protective Relaying”. J. L. Blackburn, Westinghouse Electric Corporation, 1979.
[3] “Protective Relays. Application Guide”. Gec Alsthom, Tercera Edición, 1990.
[4] “Guías para el Buen Ajuste y la Coordinación de Protecciones del STN”. Consultoría
para Elaborar Manual de Procedimientos para la Coordinación de Protecciones en el
CND realizada por Ingeniería Especializada S.A. para Interconexión Eléctrica S.A.
Itagüi- Antioquia, Julio de 2000.
[5] Notas de clase de Protecciones y Estabilidad dictada por el Ing. Orlando Ortiz Navas en
la Universidad Industrial de Santander. Año 2000.
[6] “Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia”, Dr Héctor Jorge Altuve Ferrer,
Universidad Autónoma de Nuevo León. Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica.
Monterrey, N.L, México.
[7] “Subestaciones de Alta y Extra Alta Tensión. Carlos Felipe Ramírez, Editorial Cadena
S.A. Primera edición. 1991.
[8] “Manual de Ingeniería Eléctrica”. Volumen III, Donald G. Fink. H. Wayne Beaty, Editorial
McGraw-Hill, Decimotercera Edición, Mexico, 1996.
[9] “Estrategias para la Protección de la Red”. Programa de Formación en Sistemas de
Energía Eléctrica”. Modulo III. Interconexión Eléctrica S.A., ISA. Facultad de Minas,
Departamento de Electricidad y Electrónica. Universidad Nacional de Colombia, sede
Medellín. Julio – Diciembre del año 2000.
[10] “Metodología para Realizar Estudios de Protecciones”, Gerencia de Producción, Equipo
Estudios de Operación, Interconexión Eléctrica S.A., ISA, Medellín, 1999.
[11] “Estudio de Protecciones de la Línea de Transmisión Playas - Primavera a 230 kV”.
Gerencia de Transporte de Energía, Dirección Operación y Supervisión Gestión de la
Red, Gerencia De Producción, Interconexión Eléctrica S.A., ISA, Medellín, 1999.
[12] Catálogos Fabricante, ABB.