Guía para aprender a proteger sistemas de generación distribuida basados en inversores (1ª PARTE)

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.

Los fallos ocurren cuando un componente eléctrico energizado contacta con otro a diferente voltaje. Esto permite que la impedancia entra los dos componentes eléctricos caiga casi a cero permitiendo a la corriente fluir a lo largo de una trayectoria no deseada desde la inicialmente prevista.

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.

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