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CURSO EMCT02 PROTECCIONES ELECTRICAS Unidad 0: Presentación del Curso Información respecto del curso, actividades y evaluación. Demostración de los diversos elementos que componen la plataforma. Unidad 1: Generalidades Identificar las protecciones eléctricas y su funcionalidad para el despeje de fallas Los dispositivos de protección se requieren para salvaguardar los equipos costosos de generación, transformación, transmisión y distribución de energía contra sobrecargas y daños, de manera muy rápida y selectiva, aislando las partes falladas de la red; por ejemplo, en un evento de línea de transmisión o durante una falla a tierra. Por lo tanto, son un factor fundamental para asegurar la operación consistente de una red. Existen varios dispositivos de protección disponibles para proteger generadores, transformadores, líneas de transmisión y equipos en el lado del consumidor a voltajes nominales superiores a 1 kV. El propósito de estos aparatos es detectar fallas y aislarlas de manera selectiva y rápida, así como limitar las consecuencias de la falla tanto como sea posible. Con los altos niveles de corto-circuito de hoy en día y con las redes altamente enmalladas, las fallas tiene cada vez mayores consecuencias: directas (daños en los equipos) e indirectas (pérdidas de producción). Por consiguiente, los relés de protección deben actuar muy rápido con la mayor confiabilidad y disponibilidad posible. Los relés pueden agruparse en varias categorías: Por su funcionalidad: relés contactores o relés de medida. Por su construcción: relés en tarjetas, relés miniaturas, relés con contactos de mercurio. Por su principio de operación: relés de bobina móvil, . Por su ubicación: relés telefónicos, relés de antenas, relés de protección de generador, relés de protección de red. Por su función específica: relé de señalización, relé temporizado, relé de control, relé auxiliar. Por su funcionamiento requerido: relé de alta corriente, relé de alta/baja temperatura, relé CC, relé de alta velocidad. Bibliografía: Asea Brown Boveri Pocket Book, Switchgear Manual – 8th edition, ABB, 1988. Lección 1: Características Generales Principios Básicos Los relés de protección miden variables eléctricas como voltajes y corrientes, utilizándolas para comparar sus valores o los de algunas variables calculadas con los ajustes prefijados, actuando de manera instantánea o temporizada, según su característica. Una vez actúa el relé, el relé maestro (86) de disparo y bloqueo queda enganchado no permitiendo el ingreso de la unidad o interruptor al sistema hasta que no se haya efectuado la investigación respectiva sobre la causa básica que ocasionó la operación del relé. Dependiendo del nivel de tensión, los relés están incorporados directamente en el circuito (relés primarios) o acoplados a través de transformadores de corriente -TC’s- o de tensión –TP’s- (relés secundarios). Los ajustes de los relés deben considerar las relaciones de transformación de los TC’s y TP’s. Tipos de Protección (15/04/2005) Definición de Funciones (22/04/2005) La norma ANSI / IEEE C37.102-1986 “IEEE Guide for AC Generator Protection” define las funciones normalizadas de protección, entre las cuales encontramos: Relés de distancia (21): La distancia a una falla desde el relé se asigna a un rango de disparo midiendo la resitencia con referencia a la corriente y el voltaje de falla. De acuerdo con una características tiempo / distancia ajustable en el relé, el relé dispara el interruptor del circuito adecuado o sirve como protección de respaldo. Los relés de distancia operan selectivamente y extremadamente rápidos en redes enmalladas con múltiples alimentaciones, y no necesitan enlaces auxiliares. Relés de Protección de Voltios / Hertz (24): Relé de Energización Inadvertida (27-50): Cuando un generador es energizado cuando está fuera de línea y girando, o rodando hacia la parada total, se convierte en un motor de inducción y puede dañarse en unos pocos segundos. Tambien puede ocurrir daño en la turbina. Durante la energización trifásica en parada, un flujo rotatorio a frecuencia sincrónica es inducido en el rotor del generador. La corriente resultante en el rotor es forzada hacia las trayectorias sub-transitorias en el cuerpo del rotor y los devanados de amortiguamiento similares a las trayectorias de la corriente del rotor para corrientes de secuencia negativa en el estator durante el generador en una fase. La impedancia de la máquina durante este gran intervalo de deslizamiento es equivalente a su impedancia de secuencia negativa (R2G + j X2G). La reactancia de secuencia negativa de la máquina es aproximadamente igual a (X”d + X”q)/2. La tensión y la corriente en terminales de la máquina durante este periodo será una función de la impedancia del generador, el transformador elevador y del sistema. La corriente del estator induce corrientes de grandes magnitudes en el rotor, causándole rápido calentamiento térmico. Esta corriente del rotor es inicialmente 60 Hz, pero disminuye en su frecuencia según se incrementa la velocidad del rotor debido a la acción de motor de inducción. El relé detecta la alta corriente ingresando al generador (potencia inversa) y la baja tensión en terminales para enviar señal de desconexión al interruptor de unidad y a los demás interruptores que alimentan al generador. Esta señal puede activar al relé de protección de falla de interruptor (50BF) el cual enviará el re-trip y la desconexión de todos los interruptores conectados al mismo barraje del interruptor de unidad que energizó inadvertidamente a la máquina. Relés de potencia inversa (32): Relés de pérdida de campo (40): La pérdida parcial o total de campo de un generador sincrónico es perjudicial tanto al generador como al sistema de potencia al cual está conectado. La condición debe ser detectada rápidamente y el generador debe aislarse del sistema para evitar daños. Una condición de pérdida de campo no detectada puede tener tambien un impacto devastador sobre el sistema de potencia, causándole una pérdida del soporte de potencia reactiva y creando una toma sustancial de potencia reactiva. Cuando un generador sincrónico pierde su excitación, girará a una velocidad mayor a la sincrónica y opera como un generador de inducción, entregando potencia real (MW) al sistema, pero al mismo tiempo obteniendo su excitación desde el sistema, convirtiéndose en una gran drenaje de potencia reactiva en el sistema. La temperatura en la superficie del rotor se incrementa debido a las corrientes de Eddy incluidas por el deslizamiento en el devanado de campo, en el cuerpo del rotor, en las cuñas y anillos de retención. El método más ampliamente aplicado para detectar uan pérdida de campo del generador es el uso de relés de distancia para monitorear la variación de la impedancia vista desde los terminales del generador. Cuando un generador pierde su excitación mientras opera a varios niveles de carga, la variación de la impedancia como se ve desde los terminales de la máquina se desplaza desde el primer cuadrante hacia el cuarto cuadrante, cerca del eje X y se establecerá en un valor un poco mayor que la mitad de la reactancia transitoria de eje directo (Xd’/2), en aproximadamente 2 a 7 s. El punto de la impedancia final depende de la carga en la máquina antes de la pérdida de excitación y varía desde Xd’/2 a plena carga, hasta alrededor de la reactancia sincrónica de eje directo Xd sin carga. La presencia del magnetismo residual en el campo de la máquina que se presenta despues de una condición de pérdida de excitación, puede causar una impedancia aparente mayor que Xd. Esta protección normalmente dispara el interruptor de unidad y el interruptor de campo. Relés de secuencia negativa (46): El relé de secuencia negativa se usa para proteger a los generadores del calentamiento excesivo en el rotor resultante de las corrientes desbalanceadas en el estator. La componente de secuencia negativa de las corrientes desbalanceadas induce una corriente superficial de doble frecuencia en el rotor, que fluye a través de los anillos de retención, los slot de las cuñas, y en menor grado en el devanado de campo. Estas corrientes en el rotor pueden causar temperaturas altamente dañinas en muy corto tiempo. El relé de secuencia negativa supervisa las componentes de fase y la componente residual para detectar la presencia de secuencia negativa. Cuando se supera el umbral, dispara de manera por escalones o bajo una curva característica del tipo I2t. Relés de sobrecarga (49): Las condiciones de temperatura del objeto protegido son simuladas con la misma constante de tiempo en los relés. Cualquier tipo de carga se considera para replicar térmicamente en el relé de acuerdo con curvas de calentamiento y enfriamiento. Se obtienen señales de alarma o contactos de disparo si se excede un comportamiento térmico pre-determinado. Los relés se construyen como relés primarios o relés secundarios. Los relés secundarios normalmente operan en dos o más estados. Los relés de sobrecarga son usados en máquinas que pueden sobre-calentarse, tales como transformadores y motores, aunque ocasionalmente también se usan en cables de potencia. Relés de sobrecorriente instantáneos / temporizados (50/51): Las corrientes por encima de un umbral de corriente ajustable son detectadas en una o más fases, e interrumpidas después de un tiempo ajustable. El tiempo de reposición es el mismo, sin importar cuanto se ha excedido el umbral de corriente. Los relés de sobrecorriente se usan generalmente en circuitos radiales con una sola alimentación. Relés de corto entre espiras (51W): En generadores con bobinas multi-vueltas y dos o más devanados por fase se puede usar el esquema de relés de fase partida para detectar las fallas entre espira. En este esquema, el circuito de cada fase del devanado del estator es partido en dos grupos iguales y se comparan las corrientes en cada grupo. Una diferencia en estas corrientes indica un desbalance causado por una falla en una vuelta. Esta protección detectará fallas de fase y algunas de tierra en el devanado del estator. Sin embargo, debido al retardo de tiempo es usada para complementar la protección diferencial de alta rapidez para fallas de fase de gran magnitud. Relés de sobre / sub – tensión (59/27): Relé de balance de tensión (60): Este relé detectará la pérdida de señal de tensión que alimenta los relés de impedancia (21), sobrecorriente con restricción de tensión (51V) y energización inadvertida (50-27). Este relés supervisa la señal de tensión de los TP’s, la cual generalmente se pierde por falla de fusibles o en el cableado de control. Cuando detecta la falla de tensión, envía una señal de bloqueo a los relés indicados anteriormente (21, 51V y 50-27) para inhibir su operación incorrecta. Relé de falla a tierra campo (64F): El circuito de campo de un generador es un sistema de CC flotante. Una sola falla a tierra generalmente no afectará la operación de un generador ni producirá efectos de daño inmediato. Sin embargo, la probabilidad de que una segunda falla a tierra ocurra es mayor después de que la primera falla a tierra ha ocurrido. Cuando se tiene una segunda falla a tierra, una parte del devanado de campo estará corto-circuitada, produciendo por lo tanto flujos desbalanceados en el entrehierro de la máquina. Los flujos desbalanceados producen fuerzas magnéticas desbalanceadas las cuales dan como resultado vibración y daño en la máquina. Una tierra en el campo también produce calentamiento del hierro del rotor debido a las corrientes desbalanceadas, las que dan como resultado temperaturas desbalanceadas que pueden causar vibraciones dañinas. Este relé detecta la puesta a tierra del rotor y envía un disparo a la unidad, desconectándola de la red y desexcitándola para disminuir los efectos dañiños en el rotor. Relés direccionales de falla a tierra (67N): Una indicación de la dirección se obtiene de la posición relativa de la corriente de neutro y del voltaje de neutro. El sitio de la falla se identifica comparando los valores medidos en la red. Relés Bucchholz (71): Relés de recierre (79): Un relé de recierre interrumpe en una o en tres fases el suministro de energía registrado por el relé de sobrecorriente o el relé de distancia, y luego lo re-engancha despues de un tiempo ajustable de alrededor de 300 ms. El arco a través de la falla es capaz de de-ionizar el aire en este tiempo y la operación puede re-asumirse sin interrupción. Una falla en el recierre termina en un disparo tri-fásico. Relés de frecuencia (81): Si la frecuencia va por encima o por debajo de un conjunto de límites o fluctua a una tasa inaceptable (df/dt), el relé detecta esta condición, resultando en una desconexión o en un rechazo de carga. La medición precisa y la reproducibilidad cercana al 0,6% hacen que los relés electrónicos sean muy superiores a los sistemas electro-mecánicos. Relés diferenciales (87): Las corrientes medidas a la entrada y salida del objeto protegido son comparadas en ángulo de fase y magnitud, y comparadas en un elemento de medida. Si se excede una relación de corriente, el relé emite un comando de disparo. Los relés modernos tienen todos los componentes necesarios para una protección diferencial: Transformador de comparación Señalización Dispositivos de disparo Estabilización ante perturbaciones (energízación del transformador y armónicos) Los relés diferenciales se utilizan para transformadores o generadores. Los relés diferenciales para líneas tienen un elemento de medida (relés) en cada extremo. Los relés están unidos por hilos piloto. Estos requieren supervisión para asegurar que el sistema de protección opera correctamente. Esquemas de Protección (29/04/2005) Actividad 1: Lectura del documento “Tutorial IEEE de Protecciones de Generadores Sincrónicos” Actividad 2: Asociar (arrastrar y soltar) la identificación de la protección con su descripción ANSI Actividad 3: Publicar en el foro del curso un ejemplo de esquema de protección empleado en su Central. Lección 2: Selección Coordinación de Protecciones (06/05/2005) Consideración del tamaño de la unidad (13/05/2005) Consideración del tipo de unidad (20/05/2005) Actividad 4: Establecer tiempos de operación de protecciones Actividad 5: Reconocer en América Latina las capacidades netas de las centrales de ENDESA. Actividad 6: Reconocer en América Latina el tipo de unidades de generación de las centrales de ENDESA. Lección 3: Curvas de Operación Descripción de tipo de curvas normalizadas (27/05/2005) Actividad 7: Efectuar coordinación de protección de un alimentador radial. Actividad 8: El participante publicará en el foro propuestas para el mejoramiento del esquema de protecciones de su central, incluíbles en el Plan (2006-2010). Bibliografía: Asea Brown Boveri Pocket Book, Switchgear Manual – 8th edition, ABB, 1988. Test de la Unidad (03/06/2005) Unidad 2: Tópicos de Mantenimiento Ilustrar sobre los cuidados que se deben tener durante la intervención de protecciones (10/06/2005) Lección 4: Tips para mantenimiento Cargabilidad TC’s y TP’s (17/06/2005) Bloqueo de Trips (24/07/2005) Lazos de corriente (01/07/2005) Actividad 9: El participante frente a un esquema de protección de Central Hidroeléctrica deberá incluir las cargas de un circuito de corriente y confirmar la carga del TC utilizado. Actividad 10: El participante frente a un esquema de protección de Central Hidroeléctrica deberá indicar los bloqueos que se deberán considerar para la prueba de una protección. Actividad 11: El participante publicará en el foro el cálculo de cargabilidad de los lazos de corriente asociados a las protecciones existentes en su central. Test de la Unidad (08/07/2005)