Criterios para Diseñar Sistemas de Protecciones Eléctricas

Existen varios criterios para diseñar Sistemas de Protecciones Eléctricas de manera eficiente: sensibilidad, confiabilidad, selectividad, rapidez, rendimiento, economía, simplicidad, redundancia, posibilidad de mantenimiento y el criterio N-1.

El objetivo fundamental de los sistemas de protecciones eléctricas es aislar rápidamente un área problemática del sistema de potencia, de modo de minimizar el impacto en el resto del sistema y dejarlo intacto en lo que sea posible.

Criterios para Diseñar Sistemas de Protecciones Eléctricas
Criterios para Diseñar Sistemas de Protecciones Eléctricas. Fuente: © Ing. Leiry Chinchilla

La lógica de aplicación de los relés de protección consiste en dividir el sistema de potencia en varias zonas y asignarle a cada una un grupo de relés. Adicionalmente, se utiliza la ventaja de la tecnología numérica de los relés para utilizarlos como elemento principal para la automatización del sistema de protección, monitoreo y control de la S/E. En todos los casos se utilizan los criterios definidos a continuación para diseñar un sistema de protección de manera eficiente. Sin embargo, no es práctico satisfacer completamente todos esos criterios al mismo tiempo, por lo que es necesario realizar evaluaciones en base a comparaciones de riesgos.

1. Sensibilidad

Los relés, o los esquemas de protección, deben ser sensibles, es decir, el parámetro de operación primario (como el umbral de corriente) debe ser suficientemente bajo como para detectar la falla y despejarla antes de que ese parámetro llegue a un valor perjudicial para el sistema protegido. En la mayoría de los casos este criterio también se cumple a través de las características de precisión de los transformadores de instrumentación (TC y TP) utilizados por el relé.

2. Confiabilidad, Fiabilidad y Seguridad

La confiabilidad es la probabilidad de no tener disparo incorrecto, y se define por medio de dos elementos: la fiabilidad y la seguridad. La fiabilidad es el grado de certeza de las operaciones correctas del relé en respuesta a problemas en el sistema (probabilidad de no tener omisión de disparo), mientras que la seguridad es el grado de certeza de que un relé no opere incorrectamente. Estos dos elementos son inversamente proporcionales, un aumento en la seguridad tiende a disminuir la fiabilidad y viceversa, por lo que se hace necesario diseñar un balance entre ellos para que el sistema de protecciones opere correctamente.

3. Selectividad

Consiste en proporcionar la máxima continuidad del servicio con mínima desconexión del sistema. La selectividad, también conocida como coordinación de los relés, es el proceso de configurar los relés de protección a extralimitar la zona de protección de otros relés y servirles de respaldo, de tal manera que operen lo más rápido posible dentro de su primera zona, pero que tengan retardo de tiempo para operar en su zona de respaldo (zona extralimitada). Ese retardo es necesario para permitir que los relés principales de esas zonas respaldadas tengan tiempo para operar primero. En este sentido, ocurre solapamiento de las zonas protegidas para evitar espacios sin protección en el sistema de potencia.

Adicionalmente, al diseñar sistemas de protecciones eléctricas, se deben establecer detalladamente los esquemas de protección de cada equipo primario del sistema de potencia, indicando el tipo de función de protección que deberá tener cada relé, de esta manera podemos identificar eficientemente si nuestro sistema de protecciones es realmente selectivo.

4. Rapidez

La rapidez de operación de los relés garantiza que la duración de la falla sea lo más corta posible, y consecuentemente, que el tiempo de exposición de los equipos al daño y a la inestabilidad del sistema sea mínimo.

El tiempo funciona como un criterio para distinguir entre un problema real y uno falso. Si los relés son muy rápidos podrían incrementar la probabilidad de operaciones indeseables o inexplicables. Usualmente, un relé es rápido si el tiempo de operación no excede 50 ms (tres ciclos a 60 Hz). Cabe destacar que el término “rapidez” no significa lo mismo que el término “instantáneo”, que se refiere a que no se ha introducido a propósito un retardo en la operación del relé.

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5. Rendimiento y economía

El alto rendimiento y costo de un sistema de protección no siempre se puede justificar, como cuando se tienen relés tan rápidos que se requiere de un alto costo inicial. Es por esto que al diseñar sistemas de protecciones eléctricas se debe llegar a un equilibrio para obtener máxima protección al más bajo costo total, esto incluye costo inicial de los equipos y costo por mantenimiento.

6. Simplicidad

La simplicidad consiste en utilizar la mínima cantidad de equipos de protección, y de los circuitos asociados, para lograr los objetivos de protección. Es una de las características que define la calidad del diseño, y mejora la confiabilidad del sistema al requerir menos elementos que puedan mal-funcionar. Sin embargo, el diseño más simple no necesariamente quiere decir que es el más económico.

7. Redundancia

La redundancia en un sistema de protección consiste en promover un sistema eléctrico confiable, práctico, robusto y flexible. De este modo, el sistema de potencia debe operar exitosamente lo más cerca al 100% del tiempo si es posible.

En cuanto al medio de comunicación para el disparo, la seguridad se incrementa si se usa doble canal de comunicación conectados en una configuración lógica “AND”. Mientras que la confiabilidad se incrementa usando doble canal conectados en una configuración lógica “OR”, pero se pierde seguridad porque hay dos oportunidades de falla que causen error de operación.

Por otro lado, los sistemas de protección también necesitan redundancia en transformadores de instrumentación. El arreglo más común para la mayoría de los sistemas de media y alta tensión es el que se muestra en la siguiente Figura, en el que los Relés A y B son relés de múltiples funciones, configurados con principio de operación diferentes para que uno trabaje como respaldo del otro, como la función diferencial de línea y la de distancia. Se observa que se utiliza un TC para cada relé y que el TP, conectado directamente a la línea, tiene dos devanados secundarios, uno para cada relé, además, se observa que un relé alimenta a una bobina de disparo independiente del otro relé, pero que ambas bobinas activan por separado al mismo interruptor de potencia.

Esquema Redundancia Reles Protecciones Electricas
Esquema de Protección Redundante para una Línea de Transmisión. Fuente: © Ing. Leiry Chinchilla

8. Posibilidad de mantenimiento

Las protecciones se deben suministrar con bloques de prueba que permitan aislar las señales de corriente y de tensión, y aislar los disparos, para realizar pruebas a las protecciones sin que sea necesario sacar de servicio a los equipos.

En principio, se debe contar con sistemas de protección redundantes que permitan sacar de servicio la protección sin dejar desprotegidos los equipos. Pero, si las intervenciones son por corto tiempo (horas) se acepta que la protección sea realizada por protecciones de respaldo, es decir, que no tengan las mismas funciones de protección que los relés principales, pero que complementen la falta de protección durante el mantenimiento.

9. Criterio de selección: falla n-1 en sistemas de protección

El criterio n-1 sirve para dimensionar el sistema de protecciones de respaldo y se basa en las consideraciones enlistadas a continuación.

  • Suponer que una línea o un transformador está fuera de servicio.
  • Suponer que un cortocircuito trifásico, bifásico o monofásico, aparece en el sistema de potencia.
  • Suponer que se presenta una de las siguientes fallas asociadas al sistema secundario, o de respaldo, de protecciones: pérdida de señal desde un transformador de instrumentación (TC o TP), falla en el relé que debería disparar, falla en un circuito de los SACC (Servicios Auxiliares de Corriente Continua), apertura de un circuito de disparo del interruptor de potencia o falla en este equipo para operar.
  • Verificar que la falla sea despejada en un tiempo satisfactorio, de acuerdo con los requerimientos de estabilidad y de soporte de los equipos, sea que ocurra en cualquier parte del sistema protegido: en una línea, en barras o en uno de los lados de un transformador de potencia.
  • Adicionar protecciones principales o de respaldo hasta que todas las fallas sean aclaradas oportunamente.

Conclusión

Estos son los criterios más importantes para diseñar sistemas de protecciones eléctricas. Sin embargo, cada ingeniero de diseño debe aplicarlos en función de la complejidad de su proyecto y en función del presupuesto que el inversionista tenga dispuesto para la ejecución del proyecto.

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Referencias Bibliográficas

W, Elmore, Protective Relaying Theory and Applications, 2da edición, Nueva York, Estados Unidos, Marcel Dekker, 2004.

SIPROTEC 5 – Protection relays for digital substation – Siemens Global Website

Line Protection Solutions (selinc.com)

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