Uno de los aspectos más importantes de planificar y operar
los sistemas eléctricos es el diseño de los sistemas de protección. Los
sistemas de protección están diseñados para detectar y eliminar fallos. Un
fallo en un sistema de potencia es una trayectoria de conducción no
intencionada (cortocircuito) o bloqueo de corriente (circuito abierto). El
fallo de cortocircuito es típicamente el más común y usualmente es el que tiene
lugar cuando la mayoría de la gente usa el término cortocircuito.
Las fuentes de fallo comunes en los sistemas de distribución
eléctrico incluyen lo siguiente:
- Averías de aislamiento causadas por sobrevoltajes por rayos y conmutación, fabricación inapropiada, instalación inapropiada, y aislamiento envejecido.
- Daños mecánicos tales como los producidos por contacto con animales, contacto de árboles, colisión de vehículos, eólica, nieve, hielo, contaminación, vandalismo y desastres naturales mayores.
- Problemas térmicos causados por sobrecorrientes o sobrevoltajes.
Una de las tecnologías introducidas en los últimos años en
los sistemas de potencia eléctrica son los recursos de energía distribuida
(DER). DER son fuentes de potencia localizadas en o cerca de las cargas e
interconectadas con el sistema de distribución eléctrica. Típicamente, las
capacidades unitarias de DER son menos de 10 MVA e incluyen fuentes renovables,
combustibles fósiles y tecnologías de almacenamiento de energía. DER está
llegando a ser un sistema de distribución y presenta muchos desafíos. Añadiendo
nuevas fuentes de energía en un sistema eléctrico se incrementará la cantidad
de corriente de fallo disponible y por lo tanto los dispositivos de protección
que se requieren en el sistema de distribución.
Las tecnologías de generación distribuida más comunes son
las turbinas de gas, motores recíprocos, células de combustible, fotovoltaica,
eólica, almacenamiento de energía y microturbina.
En esta ocasión vamos a hablar de las soluciones existentes
para gestionar las contribuciones de las corrientes de fallo que aparecen en
recursos de energía distribuidas basadas en inversor.
Protección y coordinación
El propósito del sistema de energía eléctrica es transmitir
energía eléctrica de alta calidad, segura y fiable a viviendas, plantas
industriales y comerciales. Un sistema de energía eléctrico típico es el que
mostramos en la siguiente figura.
Las grandes estaciones de generación están conectadas a
través de líneas de transmisión de alto voltaje. Estas subestaciones contienen
transformadores que reducen los niveles de voltaje para los sistemas de
subtransmisión y distribución. Los sistemas de distribución eléctricos (EDS) en
particular consisten en transformadores de subestación, circuitos de
distribución trifásicos y monofásicos, equipos de protección y conmutación,
equipos para mejorar el factor de potencia, transformadores de distribución y
caídas de servicio.
La protección de los EDS y la coordinación de los
componentes son de importancia principal para las distribuidoras eléctricas.
Cuando añadimos DER a sistemas EDS, el impacto debe ser comprendido.
Relés de protección
Los relés de protección se requieren en un sistema de
protección para provocar la rápida retirada del servicio de cualquier equipo
asociado con el sistema de potencia cuando ocurre un fallo de cortocircuito o
cuando el sistema de potencia comienza a operar en condiciones anormales. Los
relés de protección son esencialmente los cerebros que determinan cuando tiene
lugar la apertura de los interruptores automáticos apropiados del circuito. El
dispositivo mecánico capaz de desconectar el elemento de fallo y físicamente
aislar el sistema de energía eléctrica de las perturbaciones del circuito se
denomina interruptor del circuito.
Dos tipos básicos de relés de protección se usan en los
sistemas de potencia eléctrica.
- Los relés electromecánicos se introdujeron a principios del siglo XX. Un relé electromecánico es de tipo de atracción magnética o de tipo relé de disco. Los relés de atracción magnética usan un pistón u operación de armadura de bisagra. La atracción magnética es proporcional al flujo de corriente a través de la bobina sensora. En la mayoría de los casos, el cierre del contacto inicia la acción de disparo del interruptor. El relé de disco de inducción produce un movimiento circular que es proporcional a la corriente de la bobina. Ambos diseños han trabajado con fiabilidad desde su introducción hace unos cien años. Las compañías, sin embargo, están reemplazando los relés electromecánicos por otros relés basados en microprocesador.
- Los relés de microprocesador fueron introducidos en los 80. Los relés de microprocesador tienen selectividad, velocidad y fiabilidad. Son capaces de registrar y almacenar grandes series de datos cuando ocurren las perturbaciones del sistema. Otra característica importante de los relés de microprocesador es su capacidad para comunicarse con el personal. Esto se realiza típicamente con sistemas SCADA. Esta característica permite a los operadores determinar la localización y tipo de fallo que ocurrió en el sistema sin contar con un especialista, ahorrando tiempo y a menudo mejorando la fiabilidad.
Coordinación de relés
La coordinación de relés implica estudios de coordinación
que utilizan curvas de corriente de tiempo. Estas curvas describen el tiempo de
disparo basándose en las posiciones del relé.
El propósito de la coordinación de relés es incrementar la
fiabilidad del sistema aislando la fuente de corriente de fallo tan rápido como
sea posible mientras se mantiene la potencia en el resto del sistema de
distribución.
Ver 2ª PARTE
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