02 mayo 2012

Guía para aprender a proteger sistemas de generación distribuida basados en inversores (2º PARTE)

Ver 1ª PARTE

Los relés en los DER

Hay considerables diferencias en el rendimiento bajo fallo entre los tres tipos básicos de DER: máquinas síncronas, máquinas de inducción y fuentes basadas en inversor. Las aplicaciones DER tales como células de combustible, turbinas eólicas, fotovoltaica y microturbinas a menudo requieren inversores para interactuar con la red.

Actualmente, el DER basado en inversor proporciona una contribución mínima al equilibrio de potencia en los sistemas de distribución. Sin embargo, se espera que en los próximos años entren en línea muchas más instalaciones DER. Cuando el nivel de penetración del DER se incrementa, el efecto del DER no se considerará mínimo.

La contribución de una unidad DER pequeña no es significativa; sin embargo, las contribuciones de muchas pequeñas unidades pueden alterar el nivel de corriente bastante para causar descoordinación de la protección de sobrecorriente, operación inapropiada del fusible o fallos en la detección. Un sistema DER puede tener impacto en la coordinación del fallo de un sistema al punto que se requieren cambios en el ajusta del relé y dimensionado del fusible. Añadiendo una fuente de fallo al sistema, la corriente de fallo total vista por el relé se reduce, perdiéndose sensibilidad.

La cantidad de DER en un circuito de distribución es referido como el nivel de penetración. Típicamente se define como la potencia nominal del DER dividido por la carga pico del circuito.  Algunos informes han mostrado que incluso con relativamente bajos niveles de penetración (10 %), puede ser importante analizar el impacto que tendría en la operación del sistema. DER puede tener impacto mayor en la protección del mecanismo de alimentación, pero el nivel al que ocurre depende de cómo el DER se distribuye a través del mecanismo de alimentación. Para niveles de penetración DER por encima del 10 % (DER es profundamente dependiente de las cargas de alimentación), la regulación del voltaje puede ser un problema serio que debe ser evaluado.

Las corrientes de fallo altas pueden también afectar a la operación de reconexión (RC). Los dispositivos RCs actúan como interruptores de circuitos. Sin embargo, RCs pueden ser programados para intentar restablecer la conexión del circuito unos pocos ciclos después de que el fallo haya ocurrido. Esta acción es garantizada en el nivel de distribución debido a que la mayoría de los fallos son del tipo simple línea a tierra y típicamente son temporales en naturaleza. Es posible que la corriente de fallo extra desde el DER pueda exponer a RCs a tensiones mecánicas y térmicas más allá de sus límites. Las corrientes de fallo extra pueden también impactar en la operación del fusible, y puede causar que el fusible entre más pronto o más tarde de lo que la protección requiere. Esto puede causar que el fusible – RC se descoordine y tenga impacto considerable en la fiabilidad del mecanismo de alimentación.

Una propiedad única de un DER basado en inversor es la interface de electrónica de potencia. La electrónica de potencia tiene la capacidad de controla la contribución de la corriente de fallo. Típicamente, el DER basado en inversor está diseñado para actuar como fuentes de corriente ideales. Por lo tanto, proporcionan contribuciones de corriente de fallo mínimas y tienen poco efecto en la protección de sobrecorriente y estrategias de coordinación para fusibles e interruptores de circuitos. Sin embargo, esto puede no ser siembre verdad con penetración incrementada (10 % o más).

Análisis de cortocircuito

Los estudios de cortocircuito aseguran que el amplio rango de equipos eléctricos para generar, transmitir, y distribuir energía eléctrica está suficientemente dimensioando para interrumpir o resistir corrientes de cortocircuito. El equipo eléctrico y los dispositivos de protección deben estar diseñados apropiadamente para tales eventos. Sin embargo, los cortocircuitos en los EDS no pueden eliminarse completamente. En vez de eso, el propósito total es mitigar y, en cierta extensión, contener sus efectos perjudiciales. El primer propósito de la protección de cortocircuito es resolver fallos rápidamente y prevenir explosiones y otros daños en los equipos tales como transformadores y cables. El segundo paso es establecer prácticas que reducen el impacto de los fallos y mejoran lo siguiente:
  • Fiabilidad para coordinación apropiada de los dispositivos de protección para aislar la porción más pequeña posible del sistema y afectar a algunos clientes.
  • Calidad de potencia reduciendo la duración de los hundimientos de voltaje. Prácticas de coordinación afectan el número y severidad de las interrupciones momentáneas.

Hay varios tipos de fallos que pueden ocurrir en los EDS. Ocurre un fallo trifásico cuando las tres fases entran en contacto cada uno con la otra y es el tipo de fallo menos común. Un fallo a tierra de la línea a tierra es el tipo más común de cortocircuito y ocurre cuando una fase de potencia transmitida entra en contacto con la trayectoria de corriente alterna o tierra. Por ejemplo, una rama de árbol cae inadvertidamente en una línea de potencia. Ocurre un fallo línea a línea cuando dos fases eléctricas entran en contacto una con otra.

La corriente de fallo trifásica típicamente proporciona la corriente de fallo disponible más alta. Sin embargo, hay situaciones donde éste no es el caso. Por ejemplo, si ocurre un fallo simple de línea a tierra y hay una trayectoria a tierra efectiva para la corriente, entonces varias fuentes de corriente pueden contribuir a este fallo y exceden la corriente trifásica. Esto dependerá de cómo la fuente de corriente de fallo o fuentes son conectados al sistema (ej. conexión de transformador estrella o triángulo).

En operación bajo estado estacionario, la potencia generada por la fuente es igual a la potencia que se está consumiendo por la carga. La impedancia de la carga es el principal determinante de la magnitud de la corriente. Cuando una carga adicional (ej. aire acondicionado) se enciende, la impedancia de la carga total se reduce, dando como resultado un incremento en el flujo en el devanado de la armadura de la máquina rotatoria. Este incremento en corriente causará  en el rotor de la máquina una reducción de velocidad debido a la reactancia de la armadura. Debido a este incremento en la demanda de carga, la frecuencia del sistema de potencia se desviará ligeramente hacia abajo. En orden de mantener la frecuencia constante la turbina del generador debe responder con par adicional para acoplar esta nueva demanda de potencia.

Un fallo en un EDS típico se comporta como un circuito inductivo resistido con el conmutador en posición cerrado.

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