La protección del sistema de energía es una rama de la ingeniería de energía eléctrica que se ocupa de la protección de los sistemas de energía eléctrica contra fallas a través de la desconexión de las partes defectuosas del resto de la red eléctrica . El objetivo de un esquema de protección es mantener estable el sistema de energía aislando solo los componentes que tienen fallas, dejando la mayor parte de la red aún en funcionamiento. Por lo tanto, los esquemas de protección deben aplicar un enfoque muy pragmático y pesimista para eliminar las fallas del sistema. Los dispositivos que se utilizan para proteger los sistemas de energía de fallas se denominan dispositivos de protección .
Componentes
Los sistemas de protección suelen constar de cinco componentes:
- Transformadores de corriente y voltaje para reducir los altos voltajes y corrientes del sistema de energía eléctrica a niveles convenientes para que los relés los manejen.
- Relés de protección para detectar la falla e iniciar una orden de disparo o desconexión
- Disyuntores para abrir / cerrar el sistema según los comandos de relé y reenganchador automático
- Baterías para proporcionar energía en caso de desconexión de energía en el sistema
- Canales de comunicación para permitir el análisis de corriente y voltaje en terminales remotos de una línea y permitir el disparo remoto del equipo.
Para partes de un sistema de distribución, los fusibles son capaces de detectar y desconectar fallas.
Pueden ocurrir fallas en cada parte, como fallas de aislamiento, líneas de transmisión caídas o rotas, funcionamiento incorrecto de los disyuntores, cortocircuitos y circuitos abiertos. Los dispositivos de protección se instalan con el objetivo de proteger los activos y garantizar el suministro continuo de energía.
El tablero de distribución es una combinación de interruptores de desconexión eléctrica, fusibles o disyuntores utilizados para controlar, proteger y aislar equipos eléctricos. Los interruptores son seguros para abrirse bajo corriente de carga normal (algunos interruptores no son seguros para operar bajo condiciones normales o anormales), mientras que los dispositivos de protección son seguros para abrirse bajo corriente de falla. Los equipos muy importantes pueden tener sistemas de protección completamente redundantes e independientes, mientras que una línea de distribución secundaria menor puede tener una protección muy simple y de bajo costo. [1]
Tipos de proteccion
Red de transmisión de alto voltaje
La protección del sistema de transmisión y distribución tiene dos funciones: protección de la planta y protección del público (incluidos los empleados). En un nivel básico, la protección desconecta los equipos que experimentan una sobrecarga o un corto a tierra. Algunos elementos de las subestaciones, como los transformadores, pueden requerir protección adicional en función de la temperatura o la presión del gas, entre otros.
Grupos electrógenos
En una central eléctrica, los relés de protección están destinados a evitar daños en los alternadores o en los transformadores en caso de condiciones anormales de funcionamiento, debido a fallas internas, así como fallas de aislamiento o mal funcionamiento de la regulación. Tales fallas son inusuales, por lo que los relés de protección deben operar muy raramente. Si un relé de protección no detecta una falla, el daño resultante al alternador o al transformador puede requerir reparaciones o reemplazos costosos del equipo, así como una pérdida de ingresos por la incapacidad de producir y vender energía.
Sobrecarga y respaldo por distancia (sobrecorriente)
La protección contra sobrecargas requiere un transformador de corriente que simplemente mide la corriente en un circuito y la compara con el valor predeterminado. Hay dos tipos de protección contra sobrecargas: sobrecorriente instantánea (IOC) y sobrecorriente temporal (TOC). La sobrecorriente instantánea requiere que la corriente exceda un nivel predeterminado para que funcione el disyuntor. La protección de sobrecorriente de tiempo funciona en función de una curva de corriente frente a tiempo. Con base en esta curva, si la corriente medida excede un nivel dado durante la cantidad de tiempo preestablecida, el disyuntor o fusible funcionará. La función de ambos tipos se explica en "Protección contra sobrecorriente no direccional" en YouTube .
Falla a tierra / falla a tierra
La protección de falla a tierra también requiere transformadores de corriente y detecta un desequilibrio en un circuito trifásico. Normalmente, las corrientes trifásicas están equilibradas, es decir, aproximadamente iguales en magnitud. Si una o dos fases se conectan a tierra a través de una ruta de baja impedancia, sus magnitudes aumentarán drásticamente, al igual que el desequilibrio de corriente. Si este desequilibrio excede un valor predeterminado, debe funcionar un disyuntor. La protección de falla a tierra restringida es un tipo de protección de falla a tierra que busca una falla a tierra entre dos conjuntos de transformadores de corriente [2] (por lo tanto, restringida a esa zona).
Distancia (relé de impedancia)
La protección de distancia detecta tanto voltaje como corriente. Una falla en un circuito generalmente creará una caída en el nivel de voltaje. Si la relación de voltaje a corriente medida en los terminales del relé, que equivale a una impedancia, cae dentro de un nivel predeterminado, el disyuntor funcionará. Esto es útil para líneas razonablemente largas, líneas de más de 10 millas, porque sus características operativas se basan en las características de la línea. Esto significa que cuando aparece una falla en la línea, el ajuste de impedancia en el relé se compara con la impedancia aparente de la línea desde los terminales del relé hasta la falla. Si se determina que el ajuste del relé está por debajo de la impedancia aparente, se determina que la falla está dentro de la zona de protección. Cuando la longitud de la línea de transmisión es demasiado corta, menos de 10 millas, la protección de distancia se vuelve más difícil de coordinar. En estos casos, la mejor opción de protección es la protección diferencial de corriente. [ cita requerida ]
Respaldo
El objetivo de la protección es eliminar solo la parte afectada de la planta y nada más. Es posible que un disyuntor o un relé de protección no funcione. En sistemas importantes, una falla en la protección primaria generalmente resultará en el funcionamiento de la protección de respaldo. La protección de respaldo remoto generalmente eliminará los elementos de la planta afectados y no afectados para eliminar la falla. La protección de respaldo local eliminará los elementos afectados de la planta para eliminar la falla.
Redes de baja tensión
La red de bajo voltaje generalmente se basa en fusibles o disyuntores de bajo voltaje para eliminar tanto las sobrecargas como las fallas a tierra.
La seguridad cibernética
El sistema a granel, que es un gran sistema eléctrico interconectado que incluye un sistema de transmisión y control, está experimentando nuevas amenazas de ciberseguridad todos los días. (“Ciberseguridad de la red eléctrica”, 2019). La mayoría de estos ataques tienen como objetivo los sistemas de control en las redes. Estos sistemas de control están conectados a Internet y facilitan a los piratas informáticos atacarlos. Estos ataques pueden causar daños al equipo y limitar la capacidad de los profesionales de servicios públicos para controlar el sistema.
Coordinación
La coordinación de dispositivos de protección es el proceso de determinar el "mejor ajuste" de la interrupción de la corriente cuando ocurren condiciones eléctricas anormales. El objetivo es minimizar una interrupción en la mayor medida posible. Históricamente, la coordinación de los dispositivos de protección se realizaba en papel de registro traslúcido. Los métodos modernos normalmente incluyen análisis e informes detallados por computadora.
La coordinación de la protección también se maneja dividiendo el sistema de energía en zonas protectoras. Si ocurriera una falla en una zona determinada, se ejecutarán las acciones necesarias para aislar esa zona de todo el sistema. Las definiciones de zona incluyen generadores , buses, transformadores , líneas de transmisión y distribución y motores . Además, las zonas poseen las siguientes características: zonas superpuestas, las regiones superpuestas indican interruptores automáticos y todos los interruptores automáticos en una zona determinada con una falla se abrirán para aislar la falla. Las regiones superpuestas se crean mediante dos conjuntos de transformadores de instrumentos y relés para cada interruptor automático. Están diseñados para redundancia para eliminar áreas desprotegidas; Sin embargo, las regiones superpuestas están diseñadas para permanecer tan pequeñas como sea posible, de modo que cuando ocurre una falla en una región de superposición y las dos zonas que abarcan la falla están aisladas, el sector del sistema de energía que se pierde del servicio sigue siendo pequeño a pesar de las dos zonas. estar aislado. [3]
Equipo de monitoreo de perturbaciones
El equipo de monitoreo de perturbaciones (DME) monitorea y registra los datos del sistema relacionados con una falla . DME logra tres propósitos principales:
- Modelo de validación,
- investigación de perturbaciones, y
- evaluación del rendimiento de la protección del sistema. [4]
Los dispositivos DME incluyen: [5]
- Secuencia de registradores de eventos, que registran la respuesta del equipo al evento.
- Registradores de fallas, que registran datos de formas de onda reales de los voltajes y corrientes primarios del sistema
- Registradores de perturbaciones dinámicas (DDR), que registran incidentes que muestran el comportamiento del sistema de energía durante eventos dinámicos como oscilaciones de baja frecuencia (0,1 Hz - 3 Hz) y variaciones de voltaje o frecuencia anormales.
Medidas de desempeño
Los ingenieros de protección definen la confiabilidad como la tendencia del sistema de protección a operar correctamente para fallas en la zona. Definen la seguridad como la tendencia a no operar por fallas fuera de zona. Tanto la confiabilidad como la seguridad son problemas de confiabilidad. El análisis del árbol de fallas es una herramienta con la que un ingeniero de protección puede comparar la confiabilidad relativa de los esquemas de protección propuestos. Cuantificar la confiabilidad de la protección es importante para tomar las mejores decisiones sobre cómo mejorar un sistema de protección, administrar la confiabilidad frente a las compensaciones de seguridad y obtener los mejores resultados por el menor dinero. Una comprensión cuantitativa es esencial en la industria competitiva de servicios públicos. [6] [7]
Los criterios de rendimiento y diseño para los dispositivos de protección del sistema incluyen confiabilidad, selectividad, velocidad, economía y simplicidad. [8]
- Fiabilidad: los dispositivos deben funcionar de manera constante cuando ocurren condiciones de falla, independientemente de que posiblemente estén inactivos durante meses o años. Sin esta confiabilidad, los sistemas pueden causar costosos daños.
- Selectividad: los dispositivos deben evitar viajes falsos e injustificados.
- Velocidad: los dispositivos deben funcionar rápidamente para reducir el daño del equipo y la duración de la falla, con solo retrasos de tiempo intencionales muy precisos.
- Economía: los dispositivos deben brindar la máxima protección a un costo mínimo.
- Simplicidad: los dispositivos deben minimizar los circuitos y equipos de protección.
Confiabilidad: confiabilidad vs seguridad
Hay dos aspectos del funcionamiento confiable de los sistemas de protección: confiabilidad y seguridad. [9] La confiabilidad es la capacidad del sistema de protección para operar cuando se le pide que elimine un elemento defectuoso del sistema de energía. La seguridad es la capacidad del sistema de protección para evitar que funcione durante una falla externa. Elegir el equilibrio apropiado entre seguridad y confiabilidad en el diseño del sistema de protección requiere un juicio de ingeniería y varía según el caso.
Ver también
Notas
- ^ Alexandra Von Meier (2013). Ingeniero Eléctrico 137A: Sistemas de Energía Eléctrica. Clase 14: Introducción a los sistemas de protección, diapositiva 3.
- ^ "Protección de falla a tierra restringida" . myElectrical.com . Consultado el 2 de julio de 2013 .
- ^ Glover JD, Sarma MS, Overbye TJ (2010) Sistema de energía y análisis 5.a edición. Aprendizaje Cengage. Pág. 548-549.
- ^ "Manual de protección del sistema" (PDF) . Operador del sistema independiente de Nueva York . Consultado el 31 de diciembre de 2011 .
- ^ "Glosario de términos utilizados en los estándares de confiabilidad" (PDF) . Corporación de Confiabilidad Eléctrica de América del Norte . Consultado el 31 de diciembre de 2011 .
- ^ EO Schweitzer, J. J Kumm, MS Weber y D. Hou, "Filosofías para probar relés de protección", 20ª Conferencia anual de relés de protección occidental, Spokane, WA. 19-21 de octubre de 1993.
- ^ JJ Kumm. EO Schweitzer y D. Hou, “Evaluación de la eficacia de las autopruebas y otros medios de monitoreo en relés de protección”, 21ª Conferencia anual de relés de protección occidental, Spokane, WA. 18-20 de octubre de 1994.
- ^ Glover JD, Sarma MS, Overbye TJ (2010) Sistema de energía y análisis 5.a edición. Aprendizaje Cengage. Pág 526.
- ^ NERC Reliability Fundamentals of System Protection, diciembre de 2010, Sec 3 - 4.1.2.3, https://www.nerc.com/comm/PC/System%20Protection%20and%20Control%20Subcommittee%20SPCS%20DL/Protection%20System% 20Fiabilidad% 20Fundamentals_Approved_20101208.pdf
Referencias
- Mason, C. Russell. "El arte y la ciencia de la retransmisión de protección" (PDF) . General Electric . Consultado el 26 de enero de 2009 .
- "Protección de sistemas de potencia coordinada" . Cuerpo de Ingenieros del Ejército. 1991-02-25. Archivado desde el original el 13 de enero de 2008 . Consultado el 26 de enero de 2009 .
- "¿Cómo funcionan los relés de protección?" . Littelfuse . Archivado desde el original el 28 de enero de 2013 . Consultado el 31 de diciembre de 2011 .
- "¿Qué es SCADA?" . Rose India Technologies . Consultado el 31 de diciembre de 2011 .
- "Introducción a la protección práctica del sistema de energía" (PDF) . Universidad de Idaho . Archivado desde el original (PDF) el 26 de abril de 2012 . Consultado el 31 de diciembre de 2011 .
- "Ciberseguridad de la Red Eléctrica" (PDF) .
- Abdelmoumene, Abdelkader; Bentarzi, Hamid (23 de junio de 2017). "Una revisión sobre la evolución y las tendencias de los relés de protección". Revista de energía en el sur de África . 25 (2): 91–95. doi : 10.17159 / 2413-3051 / 2014 / v25i2a2674 .
- http://perso.numericable.fr/michlami protección y monitorización de la red de transmisión de energía eléctrica