retos a las protecciones eléctricas en las redes de
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1. ahora es sensible hasta el final del circuito Selecci n de la caracter stica TC y coordinaci n en los casos necesarios 5 7 Del cat logo del fabricante de la protecci n Nu Lec 15 se tienen las ecuaciones que describen las caracter sticas moderadamente muy y extremadamente inversa Con el criterio mencionado expresado por la expresi n 5 se obtuvieron las caracter sticas TC de cada una de las opciones y variantes de los rel s de fase y tierra Se escogi una caracter stica tiempo muy inverso Solo para la 3 opci n donde no existe sensibilidad fue necesario realizar la coordinaci n dado por la necesidad de ubicar dispositivos de protecci n a lo largo del circuito En el caso de la primera variante es necesario hacer primero la coordinaci n entre el rel 2 y el fusible y luego entre los dos rel s tal como plantea la literatura El intervalo selectivo se escogi de 0 4 s El resultado se muestra en las figuras 4 y 5 106 T gt x ID M lugios de PICK UP Figura 5 Coordinaci n rel 1 y rel 2 variante 1 En el caso de la segunda variante solo fue necesario hacer la coordinaci n entre rel s Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 Bravo y Yanez Retos a las protecciones el ctricas en las redes de distribuci n con generaci n distribuida CONCLUSIONES Se pudo demostrar que cuando la GD se conecta en la subestaci n de subtransmisi n junto con el sist2. Se brindan las ventajas del tener una protecci n multifuncional num rica en los lugares donde se adiciona DG en las redes de distribuci n radiales AN LISIS TE RICO Estado de las protecciones en las redes de distribuci n En Cuba las redes de distribuci n se encuentran en un proceso de descapitalizaci n debido al embargo econ mico al que ha estado sometido el pa s por el gobierno de los Estados Unidos por m s de 40 a os y que ha sido m s fuerte a partir de 1990 Lo anterior ha tra do como consecuencias que se confronten un conjunto de problemas t cnicos pues no se han podido modernizar las redes como resultar a necesario de acuerdo al desarrollo tecnol gico de nuestros d as En particular las protecciones de las redes de distribuci n han sufrido este deterioro A principios de la d cada de los 90 del pasado siglo estos circuitos se encontraban protegidos con rel s de diferentes marcas entre ellas rusas e incluso algunos IAC norteamericanos General Electric que a n se comercializan del tipo electromagn ticos Exist an en algunos casos restauradores de diferentes firmas Pero con el tiempo estas protecciones se vieron muy afectadas tanto en sus posibilidades de brindar protecci n como 102 Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 Bravo y Yanez Retos a las protecciones el ctricas en las redes de distribuci n con generaci n distribuida que se da aron producto de roturas y el
3. Dalke Basler Electric Company Protective relaying when Distributed Generation is added to your circuit 2002 p 14 Fecha de consulta Abril 2006 URLs http basler com downloads ProtwDG pdf Basler Electric Cat logo del fabricante de las Protecciones Instruction manual for overcurrent Type BE1 50 51M Highland Illinois p 30 03 1995 A G Phadke and J S Thorp Computer Relaying for Power Systems John Wiley amp Sons Inc Research Studies Press LTD p 289 England 1988 P Montan Protecciones en las Instalaciones Evoluci n y Perspectivas Segunda edici n Marcombo Boixareo Editores p 8 Barcelona Espa a 1998 Nu Lec Industries A company Schneider Electric Manual T cnico Restaurador N15 N27 N38 Litton Australia p 170 October 2006 Z Garc a y J Gonz lez Cueto Manual de usuario del PSX Formato Electr nico Intranet de la Facultad de Ingenier a El ctrica p 70 2002 URLs http intranet fie uclv edu cu Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 107
4. la corriente m xima Icc 4x que es la mayor corriente de cortocircuito que por el TC puede circular en el punto m s cercano a la protecci n Ajuste del arranque del tiempo inverso de tierra 5 7 Como el tiempo inverso de tierra es m s r pido que el de fase se emplea la siguiente expresi n Iar 0 1 0 2 Inc 4 donde In es la corriente nominal por el transformador de corriente que es 5 A En el chequeo de sensibilidad y el ajuste del instant neo de tierra se utilizar n las expresiones 2 y 3 teniendo en cuenta que los cortocircuitos m nimos y m ximos son a tierra Selecci n de las curvas Tiempo Corriente TC Se seleccionaron las curvas de trabajo de los dispositivos para todos los circuitos en todas sus opciones y variantes de manera que cumplieran con los requerimientos t cnicos de las protecciones el ctricas 5 7 Siempre la protecci n primaria debe actuar antes que el respaldo Para la selecci n del tipo de curva se tom un criterio dado por la Uni n El ctrica de Cuba de que debe cumplirse que el m ltiplo de la corriente de arranque del rel para 1 s debe ser Deir M cc e 5 ap Donde Icc x es la corriente m xima de cortocircuito que circula por el rel para una falla en el punto m s cercano el ctricamente e Li es la corriente de operaci n por primario RESULTADOS Y DISCUSI N Como dato particular de este circuito se tiene que Nare 200 5 40 Sc 3793 kV A d
5. Industrial Adicionalmente se consideraron variantes en las opciones que pudiera existir una bater a en la subestaci n de distribuci n de 8 generadores de 2 36 MVA cada uno y que los grupos de emergencia del Hospital Celestino Hern ndez de 220 KVA y del Cardiocentro de 440 KVA puedan sincronizarse al sistema METODOLOG A UTILIZADA EN EL AJUSTE DE LAS PROTECCIONES Ajuste del arranque del tiempo inverso de fase 51 17 La corriente de arranque del rel que se ubica en la fase se calcula de acuerdo a la expresi n Icm x lar K 1 TC Donde K 1 5 e IC n x es la corriente m xima de carga que puede circular por la protecci n y N es la relaci n de transformaci n del transformador de corriente Chequeo de Sensibilidad Se debe hacer con la corriente de cortocircuito m nima Icc pim que puede circular por el transformador de corriente TC en el punto m s alejado el ctricamente Icc min Ks lar Ntc 2 El valor de Ks de la expresi n 2 debe ser mayor que 1 5 para que el rel brinde sensibilidad a toda la l nea Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 103 Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 Ajuste de arranque del instant neo de fase 5 7 La corriente de arranque del rel que se ubica en tierra se calcula de acuerdo a la expresi n Iccm x Ntc lar K 3 Donde K 1 3 y de los datos obtenidos del PSX se tiene
6. Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 pp 101 107 RETOS A LAS PROTECCIONES EL CTRICAS EN LAS REDES DE DISTRIBUCI N CON GENERACI N DISTRIBUIDA CHALLENGES OF DISTRIBUTED GENERATION ON THE ELECTRIC PROTECTION IN DISTRIBUTION NETWORKS Marta Bravo de las Casas Yumil Yanez Boza Recibido 11 de marzo de 2008 aceptado 10 de marzo de 2009 Received March 11 2008 Accepted March 10 2009 RESUMEN Las redes de distribuci n han sido dise adas para que la potencia fluya en una sola direcci n La introducci n de la Generaci n Distribuida GD hace que esta consideraci n ya no sea v lida Esto traer nuevos retos para la operaci n y el dise o de la red Una de las reas cr ticas m s afectadas que existe es la de las protecciones el ctricas En este trabajo se hace el estudio de c mo se afectan los ajustes de las protecciones el ctricas al trabajar con generaci n distribuida en una red de distribuci n Para ello se simul una red con la ayuda del software denominado PSX Se conect generaci n en distintos lugares de diferentes capacidades y tipos Se calcularon los niveles de cortocircuitos en los distintos escenarios para los cuales fueron ajustadas las protecciones Se obtuvieron un conjunto de resultados interesantes los cuales pueden conducir a nuevas estrategias en lo que respecta a estos equipos Palabras clave Corrientes de cortocircuito generaci n distribuida protecciones el ctricas redes d
7. deterioro normal del tiempo Se ha introducido por lo tanto un conjunto de mejoras t cnicas en las redes de distribuci n que alcanzan a las protecciones el ctricas Cada uno de los circuitos se encuentran protegidos de formas diferentes actualmente por ejemplo con rel s microprocesados de la Basler 12 de primera generaci n 13 14 otros por rel s digitales modernos de grandes posibilidades de protecci n los denominados Nu Let 15 Se tiene como lineamiento nacional por problemas con las protecciones solo una al inicio del circuito y se han eliminado todos los fusibles a lo largo del circuito solo se protegen con fusibles los primarios de los transformadores y no se aplican en puntos importantes de la red como expone toda la bibliograf a espec fica sobre el tema de distribuci n 5 7 Es de vital importancia tener un rel digital a la salida de la subestaci n Entre las ventajas de la protecci n de sobrecorriente num rica multifuncional en la subestaci n est que la misma tiene varias formas de curvas con lo que se logra una mejor coordinaci n m s un amplio intervalo de valores de corrientes de arranque los cuales no son posibles en los otros rel s Adem s de la posibilidad de seleccionar grupos de ajustes dependiendo de la condici n de operaci n 11 En caso de tener GD en la red ser necesario un n mero mayor de funciones de protecci n para lo cual con las versiones electromagn ticas habr a que in
8. e distribuci n ABSTRACT The distribution networks have been designed so that the power flows in a single direction When the Distributed Generation is introduced this consideration is no longer valid Distributed Generation will bring new challenges for the operation and the design of the network One of the most critical areas affected is the electric protection This paper discusses issues of how the adjustments of the electric protection are affected when the Distributed Generation is introduced in a distribution network For this purpose the network was simulated with the help of the software named PSX The generation was connected in different places with different capacities and types The levels of short circuits were calculated in the different scenarios in which the protections were adjusted A set of interesting results was obtained which can lead to new strategies in what concerns to these protections Keywords Short circuit currents distributed generation electric protection distribution networks INTRODUCCI N niveles de cortocircuito 3 4 p rdida de sensibilidad aislamiento no deseado recierre no sincronizado etc La conexi n de GD en las redes de distribuci n convierte a sistemas simples en redes complicadas Los sistemas radiales tendr n ahora m ltiples fuentes las cuales hacen cambiar el flujo de la corriente de falla Los esquemas de protecci n tradicionales se convierten en no efectivos 1 Varios estudio
9. ema trae consigo un aumento considerable de los niveles de cortocircuitos haciendo m s sensibles las protecciones de sobrecorriente tanto de fase como de tierra pero trae variaciones de los ajustes de acuerdo al escenario con el cual se vaya a operar la red Resulta imprescindible tener protegidos los circuitos de distribuci n con rel s digitales debido a que las corrientes de cortocircuito en la localizaci n del rel pueden aumentar producto de la entrada del grupo de emergencia O bater as que entren en los picos a generar en conjunto al sistema o puede tambi n disminuir producto a la generaci n intermedia o por la generaci n sin el sistema electroenerg tico es decir en isla Adem s de posibles cambios de direcci n de estas corrientes de cortocircuito de acuerdo a donde est la GD y su capacidad Es por ello que se necesitan m s posibilidades en los juegos de ajustes y de curvas para lograr la coordinaci n necesaria con los dem s dispositivos de protecci n REFERENCIAS 1 L Kumpulainen and K Kauhaniemi Distributed generation and reclosing coordination Nordic Distribution and Asset Management Conference 2004 Fecha de consulta Abril 2006 URLs http powersystems tkk fi nordac2004 papers nordac2004_kumpulainen_et_kauhaniemi_paper pdf 2 G Koeppel Distributed generation Literature review and outline of the Swiss situation EEH Power Systems Laboratory ETH Swiss Federal Institute of Techn
10. emanda del circuito Todos los c lculos de cortocircuitos se hicieron utilizando el software PSX confeccionado por el Centro de Estudios Electroenerg ticos de la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas UCLV 16 Los resultados de los ajustes de las protecciones para cada opci n y variante se muestran en las tablas 1 2 y 3 Tabla 1 Ajustes de las protecciones 1 opci n Sistema Fase Tierra Variante Tiempo inverso Instant neo Tiempo inverso Instant neo lar A Ks lar A lar A Ks lar A Sin GD 9 1 2 245 37 64 1 24 15 145 Con las bater as Conectadas 91 506 15694 1 301 967 y el grupo Cardiocentro Con las bater as conectadas y el 9 1 5 114 156 94 1 37 4 100 6 grupo hospital Con toda la GD 9 1 4 83 156 94 1 393 101 7 conectada Tabla2 Ajustes de las protecciones 2 opci n Sistema GD Fase Tierra Variante Tiempo inverso Instant neo Tiempo inverso Instant neo lar A Ks lar A lar A Ks lar A Sin GD 9 089 2 27 38 22 1 321 601 Con las bater as conectadas 9 089 5 07 157 6 1 401 2982 y el grupo Cardiocentro Con las bater as conectadas y el 9 089 5 12 157 6 1 498 3101 grupo hospital Con toda la GD conectada 9 089 4 83 157 6 1 407 3134 Tabla 3 Ajustes de las protecciones 3 opci n Solo GD Fase Tierra Variante Tiempo inve
11. ible s lo que los dos rel s se encuentran ligeramente por debajo de la sensibilidad ideal Una segunda variante es colocar el rel 2 un poco m s alejado de la subestaci n en el nodo 10 figura 3 esto trae como inconveniente que el rel 1 no cumple con el requisito de sensibilidad Ks 1 34 3 aproximadamente por debajo Pero el rel 2 lograr a proteger a todo el circuito como se pudo comprobar y se ahorra un dispositivo de protecci n No 70 No 72 No3 m gt Rele 2 No21 No22 No 1 1 No12 No13 No121 No14 No15 No16 No 1 7 No 141 No 1 6 1 Figura 2 Posible soluci n para la falta de sensibilidad del rel Primera variante Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 105 Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 No1 3413 8 Bara No aja aoa CERLE naa nana jo amnis No 70 No 72 No 94 No 10 No 12 E gt Rele 2 No 2 1 No22 No 1 1 No12 No 1 3 No 121 No 1 4 No15 No16 No 1 7 No 14 1 No 146 1 L Figura 3 Monolineal para la segunda variante propuesta con el objetivo de lograr sensibilidad Los par metros de ajuste de este dispositivo nuevo se muestran en la tabla 5 Tabla 5 Ajustes de la protecci n 2 Segunda variante Fase Tierra Variante Tiempo inverso Instant neo Tiempo inverso Instant neo lar A Ks lar A Iar A Ks lar A 1 Sin GD 6 81 1 69 18 27 1 13 2 6 05 Como se puede observar de la tabla 5 el rel
12. ir alimentado lo que puede hacer que el arco no se extinga y por lo tanto la falla se convierte en permanente Esto se traduce en un deterioro de la fiabilidad de la red y un incremento del n mero de consumidores que han perdido el servicio Por otro lado el recierre no exitoso incrementa el da o a las componentes de la red ya que el restaurador cerrar en el momento en que la falla est presente 1 Otro problema es la falta de sensibilidad de la protecci n de sobrecorriente para fallas dentro de la zona de operaci n causado por la reducci n del alcance del dispositivo de protecci n del alimentador La sensibilidad de la protecci n se reduce cuando existe GD entre el dispositivo y la falla Esto se debe a que la GD sube el perfil del voltaje en la parte del alimentador en cuesti n lo cual reduce la corriente vista por el rel y reduce la sensibilidad de manera que la falla tiene que estar m s cercana a la protecci n para que la detecte En 10 se expone el efecto de la GD en la coordinaci n de los equipos de protecciones tal como fusibles fusibles fusibles restauradores y rel rel En cada caso en dependencia del tama o y colocaci n de la GD hay m rgenes en el que la coordinaci n ser a posible pero en otros casos no En 11 se expone un caso de estudio de la aplicaci n de un rel electromec nico o electr nico en un circuito de distribuci n radial contra la aplicaci n de un rel multifuncional digital
13. ology Zurich Internal Report p 19 November 2003 3 N Nimpitiwan Fault current issues for market driven power systems with distributed generation TEEE PES General Meeting San Francisco p 7 June 2005 4 H Altuve Protecci n de redes el ctricas Ministro de Educaci n Superior Universidad Central de Las Villas p 254 Cuba 1990 5 ABB Power T amp D Company Inc Relay Division Coral Spring Florida Protective relaying Theory and applications Edited by W A Elmore M Dekker INC New York Basel Hong Kong p 267 1994 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 J L Blackburn Protective relaying Principles and applications M Dekker INC New York p 545 1987 J J ger T Keil L Shang and R Krebs New protection coordination methods in the presence of Distributed Generation 8th International Conference on Developments in Power System Protection Amsterdam The Netherlands p 4 April 2004 Y Baghzouz Voltage regulation and overcurrent protection issues in distribution feeders with Distributed Generation A Case Study Proceedings of the 38th Hawaii International Conference on System Sciences Hawaii p 7 2005 Girgis and S Brahma Effect of distributed generation on protective device coordination in distribution system Clemson University Electric Power Research Association ECE Department USA p 119 2001 G
14. rso Instant neo Tiempo inverso Instant neo lar A Ks lar A lar A Ks lar A Sin GD 9 089 1 26 18 95 1 12 3 3 695 Con las bater as conectadas 9 089 5 04 15532 1 30 96 y el grupo Cardiocentro Con las bater as conectadas y el 9 089 5 1 155 32 1 37 28 99 87 grupo hospital Con toda laGD 9089 48 15532 1 3045 101 01 conectada 104 Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 Bravo y Yanez Retos a las protecciones el ctricas en las redes de distribuci n con generaci n distribuida Al correr esta tercera opci n en su primera variante sin GD en la subestaci n se puede observar de la tabla 3 que el rel no es sensible Ks 1 26 Ks est por debajo del valor m nimo 1 5 que ser a el por ciento de seguridad que se tiene para incluir el arco en el cortocircuito Es necesario conocer hasta d nde el rel es capaz de brindar sensibilidad a las l neas que ser a el punto cr tico para lograr la condici n de sensibilidad seg n Icc min gt Ks lar Ntc 6 Sustituyendo Icc min gt 545 88 A Utilizando el software PSX se obtuvo que en el nodo 2 el m s pr ximo al rel el nivel de cortocircuito m nimo es 505 A el cual est por debajo del valor cr tico calculado Para resolver este problema se pueden implementar varias soluciones posibles Una primera variante posible es instalar un segundo rel rel 2 en el nodo 3 del mismo
15. s han mostrado los siguientes problemas en las protecciones 2 operaci n incorrecta de las protecciones de los alimentadores incremento o decrecimiento de los Los esquemas de protecci n que existen en estas redes son generalmente de sobrecorriente tiempo inverso o tiempo definido de acuerdo a los criterios convencionales de la protecci n 5 8 El sistema de protecci n tradicional ha sido dise ado considerando los niveles de los cortocircuitos corrientes de m xima carga sistema de voltaje y nivel de aislamiento 1 Centro de estudios Electroenerg ticos Facultad de Ingenier a El ctrica Universidad Central Marta Abreu de Las Villas Carretera de Camajuan km 5 Santa Clara Villa Clara Cuba E mail mbravoOuclv edu cu mbravocasasO yahoo com 2 Empresa Constructora para la Industria El ctrica ECIE de Villa Clara Circunvalaci n e Carretera de Sagua y L nea Santa Clara Villa Clara Cuba Ingeniare Revista chilena de ingenier a vol 17 N 1 2009 de un sistema radial 9 Despu s de la conexi n de la GD parte del sistema puede que no sea radial lo que trae consigo problemas en la actuaci n de las protecciones Pueden ocurrir operaciones incorrectas fallo del esquema de los fusibles reducci n del alcance potencial de cortocircuitos a localizar por la protecci n as como disparos incorrectos adem s de problemas con la coordinaci n El efecto de la GD en la coordinaci n depende del tama o tipo
16. tipo que el anterior como se muestra en la figura 2 con lo que es posible mejorar los factores a tener en cuanta a la hora de seleccionar una protecci n en particular la sensibilidad que es el factor m s cr tico del rel 1 No se propone poner un fusible en este punto pues la condici n de carga m xima es mayor a 200 A y el fusible mayor que se dispone es el 200 K 31 No 3313 8 Barra Oe TE r sania naa a e a ci f amsa uma M canis uaa e a c TLN nana a al Los par metros de ajuste de la protecci n quedaron como se muestran en la tabla 4 Tabla 4 Ajustes de la protecci n 2 Primera variante Fase Tierra Variante Tiempo inverso Instant neo Tiempo inverso Instant neo lar A Ks lar A lar A Ks lar A 1 Sin GD 8 5 1 49 18 66 1 14 1 6 44 El factor de sensibilidad no es el establecido pero se pudiera implementar pues est muy cercano al valor establecido Por lo tanto se pasa a verificar hasta d nde es capaz de proteger el nuevo dispositivo de protecci n encontr ndose que es el nodo 10 que no es el final del circuito Se tendr que conectar en ese nodo otro dispositivo de protecci n por ejemplo un fusible para ver si este es capaz de proteger el resto del circuito El fusible necesario en este caso result ser un 80K que cumple con todos los requerimientos de protecci n para este dispositivo 5 7 Esta variante resultar a fact
17. troducir varios rel s Con la versi n digital multifuncional se logra con un solo equipo donde el costo es aproximadamente la mitad de los que llevar a en caso de hacer las funciones por separado A lo que se suma las posibilidades de estos equipos modernos de registros de eventos oscilogramas etc 13 14 Caracter sticas del circuito analizado Circuito 19 de la Ciudad de Santa Clara 13 8 kV Subestaci n Roble Carga predominante residencial N mero de cargas 109 donde las m s importantes son el Hospital Oncol gico Celestino Hern ndez y el Cardiocentro Recorre una zona bastante extensa 3 02 km y un rea de 4 56 km Est alimentado por una l nea de 34 5 kV desde la subestaci n Santa Clara Industrial 110 34 5 kV donde se encuentran instalados dos grupos de bater as de 8 Generadores Diesel de 2 36 MVA Se encuentra protegido por una protecci n num rica moderna el Nu Lec En el circuito analizado se le implementaron tres opciones en cuanto a la generaci n a la entrada de los mismos 1 Opci n como se encontraba el sistema antes que se implementara la generaci n distribuida 2da Opci n est n generando el sistema y la GD instalada en Santa Clara Industrial situaci n actual 3 Opci n solo se tiene en cuenta la generaci n distribuida es decir este puede ser el caso cuando el sistema se encuentra afectado por alg n factor atmosf rico ciclones huracanes etc Es decir con la GD de Santa Clara
18. y conexi n de la fuente que se conecte Puede ocurrir que aparezcan altos tiempos de limpieza de falla o que exista coordinaci n no selectiva ambas no aceptadas por los criterios de protecci n y adem s por el mercado de la energ a el ctrica 8 La protecci n opera innecesariamente para fallas en otras zonas de la protecci n producto de la contribuci n de la GD En la figura 1 se muestra un ejemplo El rel ubicado en A y el restaurador recerradores o recloser no son direccionales Para el caso de falla en B puede ocurrir un disparo incorrecto de A por la contribuci n de la GD por lo tanto se nota la necesidad de que las protecciones sean direccionales E Lo 20 e j Figura 1 Esquema ilustrativo de mala operaci n cuando hay GD Muchas empresas utilizan esquemas de protecci n con restauradores 5 7 y fusibles Normalmente el primero y o segundo disparo del restaurador es r pido y los otros dos con retardo para lograr una buena coordinaci n con los fusibles En los dos primeros disparos el fusible no debe fundirse para si el cortocircuito es transitorio La presencia de DG puede que haga que esto no se cumpla debido al sentido de circulaci n de la corriente Adem s la utilizaci n de GD puede provocar que el funcionamiento del restaurador no sea exitoso ya que la GD contin a en operaci n durante el tiempo en que el restaurador est abierto El voltaje se mantiene y la falla se segu
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