Protección de buses de alta tensión
Date
2001
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Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Abstract
En la medida que la energía eléctrica se hizo indispensable en todas las ramas de la industria y el comercio, también se incrementaron las exigencias sobre la confiabilidad en generación, transmisión y distribución.
En México, el Sistema Eléctrico Nacional ha alcanzado un grado de extrema confiabilidad y capacidad de adaptación, a tal grado que puede satisfacerse completamente la demanda en las horas de mayor consumo. Aún así, las fallas no pueden evitarse por completo. Al producirse un defecto sobre uno de los eslabones de la cadena que va desde la generación hasta los consumidores, principalmente cuando se trata de transmisión de energía por líneas aéreas, la parte afectada del sistema debe separarse para evitar mayores daños y así no afectar a toda la red o a otros usuarios, no involucrados en el problema.
La tarea de desconectar del sistema aquella parte de la red en falla, de forma rápida y selectiva, sin separar sectores innecesariamente, corresponde a los equipos de protección. Estos evalúan constantemente las condiciones del sistema, realizando operaciones sencillas y comparando los resultados. Cuando existe una variación en las cantidades eléctricas de corriente y/o voltaje determinan la característica de falla y ordenan la operación de interruptores asociados al elemento defectuoso para aislarlo del resto del sistema eléctrico.
Debido a la complejidad del Sistema Eléctrico Nacional se han desarrollado sistemas de protección apropiados para evitar daños a los equipos durante condiciones de disturbio.
De los distintos esquemas de protección, aquellos que se destinan a la protección de buses son los que tienen los más altos requerimientos de medición, adaptabilidad y confiabilidad. Esto se debe a una serie de razones:
a) Otras protecciones no supervisan y evalúan de más de dos magnitudes trifásicas. Por su parte, la protección de buses supervisa y evalúa un número de magnitudes mayor a los de cualquier otro esquema de protección.
b) A diferencia de los buses, otros sectores a proteger no cambian sus características eléctricas durante el servicio o su variación es tan poca que sus protecciones no tienen que considerar esos cambios. Sin embargo la protección de buses tiene que adaptarse continuamente a los cambios producidos en los estados de conexión y desconexión de la estación.
c) Debido a la gran cantidad de estados de conexión y a todos los posibles modos de operación del bus protegido, pueden producirse conexiones indebidas en los circuitos de protección que inhibe la operación de la protección del bus cuando se produce una falla en la red.
d) El efecto producido sobre el sistema eléctrico por salida de servicio de un bus causa mayores problemas, y en grandes dimensiones, que cuando se desconecta cualquier otro equipo.
Es por lo anterior, que las protecciones de buses deben tener una acción selectiva. Si bien ésta debe separar lo más rápidamente el bus fallado abriendo los interruptores que lo alimentan, de ningún modo debe desconectarse un sector de bus no involucrado, además de poder decidir si es una falla interna a la zona de protección o corresponde a otros esquemas la desconexión del elemento fallado.
En cuanto a la operación de las protecciones diferenciales, todos los esquemas basan su principio de comparación en la Ley de Corrientes de Kirchhoff, que establece que la suma algebraica de las corrientes que entran y salen de un nodo, debe ser cero en cualquier instante. De este modo, si consideramos al bus como un nodo, debido a que presenta la misma impedancia en cualquiera de sus puntos, la sumatoria de las corrientes de los circuitos conectados a él debe ser nula a través del tiempo.
Esta ley, tomada como fundamento básico para la protección de barras, es más óptima que cualquier otro principio, debido a que con una sola magnitud, resultante de la suma de corrientes, caracteriza el estado de falla.
Por la anterior, resulta innecesario tomar en cuenta el desfasamiento de las corrientes de línea entre si, lo que haría más complicada la medición en la protección. La sumatoria de corrientes se evalúa sin interrupción durante todo el periodo y el principio aplicado no permite ningún tipo de desviaciones, así que sólo se consideran las corrientes que se producen en el nodo debido a una falla dentro del propio bus.
Aun bajo consideraciones de la sumatoria de corrientes alternas, existe un error teórico debido la capacitancia que tiene el bus respecto del medio que lo circunda y en especial contra tierra, que hace que circulen corrientes capacitivas no consideradas por el esquema de protección, de tal modo que sólo se consideran las corrientes de corto circuito en el bus.
En los capítulos que conforman esta tesis se establecen los esquemas diferenciales de protección más óptimos para buses de alta tensión y se determinan sus características principales. También se explica su lógica de operación y ajustes para que al final de la investigación el lector tenga una idea clara de cómo funcionan los diferentes sistemas de protección de buses más empleados en México.
El contenido está basado en los instructivos de cada esquema de protección. Estos instructivos están citados en la bibliografía para un estudio más profundo de cada sistema de protección diferencial.
Debido a que investigar acerca de todos los diferentes equipos de protección de buses que se emplean en la República Mexicana es una tarea difícil, se toman como elementos de muestra los equipos empleados actualmente en la Subárea de Transmisión y Transformación Puebla, perteneciente al Área de Transmisión y Transformación Central, integrada por cuatro subestaciones de gran importancia para el Sistema Eléctrico Nacional, por ser las que interconectan a las centrales generadoras del sureste con el centro del país. Estas subestaciones son, en orden de importancia por el número de circuitos conectados a ellas: S.E. Puebla II, S.E. Tecali, S.E. San Lorenzo Potencia y S.E. Zocac.
El desarrollo de la tesis empieza por explicar uno de los primeros relevadores diferenciales que se emplearon para la protección de buses. El principio de funcionamiento es de tipo electromecánico. La segunda generación está integrada por los relevadores que basan su operación en circuitos de estado sólido, o estáticos, que todavía siguen siendo los más empleados. Estos presentan una alta confiabilidad en la operación, pero debido al constante crecimiento de la red nacional, en un futuro no muy lejano quedarán rebasados en sus características de operación.
La tercera generación de protecciones diferenciales son los de operación basada en circuitos lógicos integrados, compuestos por módulos diseñados para una función específica y con una alta capacidad de adaptación.
La última generación de protección de buses es aquellos microprocesados que emplea a la fibra óptica como medio de comunicación con los diferentes módulos, evitando así burden adicional en el circuito secundario de los transformadores de corriente. Con el empleo de fibra óptica se logra una transferencia de datos más eficiente y se evitan problemas de corrientes inducidas en el circuito diferencial o interferencias en la comunicación de los distintos módulos que componen el esquema de protección.