¿Es Necesario Modernizar los Sistemas de Protecciones Eléctricas?

¿Realmente es necesario modernizar los sistemas de protecciones eléctricas de las subestaciones antiguas? ¿Qué beneficios traería la modernización de esas instalaciones? ¿Es muy costoso? ¿Cuál es el impacto en las rutinas de mantenimiento?

Hoy en día existen muchas subestaciones eléctricas que aún tienen relés de protecciones de tecnología electromecánica y analógica. Con estos tipos de relés la lógica de operación y los puntos de ajuste incorporados en los sistemas de protección son fijos. Por lo que, modificarlos requiere la manipulación manual de los ajustadores de configuración, o cambios físicos en el cableado de control.

La tecnología electromecánica es poco flexible por el tiempo y el costo de mantenimiento para realizar dichos cambios. Ya que en muchos casos se requiere poner partes de la subestación fuera de servicio mientras se realizan los cambios.

En este sentido, es recomendable reemplazar los relés existentes por relés de tecnología numérica de última generación junto con una red de área local. Así, al modernizar las protecciones se lograría la ventaja de modificar la lógica de operación de los relés vía software. Por lo que se podrían aplicar fácilmente esquemas de protección que antes no podían ser adaptadas.

Beneficios de Modernizar los Sistemas de Protecciones Eléctricas

En pocas palabras, los beneficios de modernizar los sistemas de protecciones eléctricas en las subestaciones antiguas, reemplazando los relés electromecánicos y analógicos por relés numéricos, se resumen en lo siguiente:

  • Los relés numéricos permiten aplicar mayor cantidad de funciones de protección en el mismo hardware con un costo adicional mínimo. Por lo que proveen esquemas de protección más completos y robustos.
  • Los cambios de configuraciones y de lógicas de operación se pueden configurar vía software en los relés numéricos. Por lo que usualmente no se requerirá modificar el cableado del circuito de control. Ni sacar de servicio toda la instalación mientras se hacen los cambios en las configuraciones del relé.

A continuación, describiremos a más detalle las principales ventajas de sustituir los relés electromecánicos y analógicos de las subestaciones eléctricas por relés numéricos.

1. Incorporar la Función de Falla del Interruptor (50BF)

La función de falla del interruptor (número ANSI 50BF) en los relés electromecánicos y analógicos era demasiado compleja y costosa para justificarse su aplicación. Por el contrario, los relés numéricos vienen equipados con temporizadores en el software disponibles para su aplicación según lo desee el usuario. Que, a su vez, no representa un costo elevado en el relé ni una instalación compleja en el cableado.

Los relés numéricos operan la función 50BF en el caso de que hayan enviado la señal de disparo a un interruptor para despejar la falla, y luego de un tiempo prescrito se detecte que la falla aún no ha sido despajada por este interruptor. En este caso, los temporizadores de los relés numéricos se configuran vía software para enviar una señal a través del puerto de comunicación del relé con el objetivo disparar los dispositivos de respaldo que puedan despejar la falla adecuadamente.

2. Detección de Desequilibrio de Voltaje

Un problema común en las subestaciones de distribución son los desequilibrios de voltaje que resultan cuando se abre uno de los fusibles del lado de alta del transformador de la subestación.

Recordemos que el lado de alta tensión de los transformadores de distribución se conecta comúnmente en Delta. Mientras que el lado de baja tensión se conecta en Estrella. En este sentido, cuando se abre un fusible del lado de alta tensión, dos de los voltajes de fase a fase del lado de baja tensión se reducen al 87% de lo normal, y el voltaje de fase a fase restante cae a cero. A demás, los voltajes de fase a tierra en dos fases caerán al 50% de lo normal, mientras que el voltaje de fase a tierra restante permanece cerca de lo normal.

Consecuencias del Desequilibrio de Voltaje

Bajo esas condiciones de desequilibrio y bajo voltaje, los motores alimentados desde la subestación se dañarían si se dejan conectados durante un período de tiempo significativo. Aunque los motores trifásicos más grandes suelen tener su propio sistema de protección contra desequilibrios. Sin embargo, los motores más pequeños no suelen tener protecciones sofisticadas que puedan prevenir el daño, independientemente de que sean monofásicos o trifásicos.

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Es por esto que las empresas de servicios públicos han recibido muchas quejas y demandas debido a los motores que se dañaron cuando se permitió la operación continua de una subestación de distribución con un fusible quemado del lado de alta tensión. Especialmente, los motores de refrigeración y aire acondicionado son los más vulnerables en tales condiciones.

Sin embargo, la aplicación de relés basados en microprocesadores hace que sea relativamente fácil detectar la condición de fusible fundido. Ya que se pueden equipar con elementos de bajo voltaje que se programan para detectar las condiciones de desequilibrio de voltaje y desconectar las cargas afectadas para prevenir el daño de los motores alimentados por esa subestación. De esta forma, los operadores podrán actuar rápidamente en sustituir el fusible quemado y volver a energizar el transformador para retornar el servicio eléctrico a los usuarios.

3. Múltiples Ajustes de Disparo

Lo relés numéricos tienen la capacidad de configurarse para cambiar automáticamente los ajustes de disparo y proporcionar flexibilidad operativa en las subestaciones de distribución.

Es decir, los relés numéricos se pueden programar de forma tal que los ajustes se puedan reducir automáticamente en condiciones de carga ligera para obtener una mayor sensibilidad en detección de fallas. Mientras que, por otro lado, los ajustes también se pueden aumentar automáticamente a umbrales de disparo más altos para condiciones de reconexión de carga en frío luego de una interrupción permanente.

En este sentido, se justifica la necesidad de modernizar las protecciones de las subestaciones de distribución sustituyendo los relés antiguos por relés de tecnología numérica para que con una programación simple se puedan obtener varias lógicas de disparo que optimicen la operación de las empresas de servicios públicos.

4. Flexibilidad en Protección de Líneas

Los relés numéricos ofrecen una variedad de características de protección de distancia para líneas de transmisión que el usuario puede programar a nivel de software, y que no se compara con la complejidad de espacio y configuración que se requeriría para un relé electromecánico equivalente. Por lo tanto, si se instala el relé numérico en el sistema y posteriormente ocurre una modificación en ese sistema, se puede adaptar las configuraciones del relé vía software sin tener que cambiar el relé, ni hacer ninguna modificación intrusiva en el cableado de control.

Por ejemplo, si el sistema eléctrico se reorganiza de tal manera que las líneas cortas se hacen más largas, las líneas largas se acortan o se crean líneas de múltiples terminales, las características de distancia del relé numérico se pueden cambiar fácilmente para adaptarse mejor a la necesidad específica del momento.

5. Ajuste en Arreglos de Barra de la Subestación

Los relés numéricos tienen la capacidad de programarse para detectar cuál es el interruptor que debe operarse cuando el interruptor asociado está en mantenimiento. O, cuando está aplicado a alguna topología de barra que haga que los esquemas de disparos sean complejos si se utilizaran relés electromecánicos. Esas topologías de barras pueden ser las siguientes:

En definitiva, cualquiera que sea la topología de la subestación, los relés numéricos se pueden configurar para implementar cambios del esquema de disparo automáticamente mediante el uso de canales de comunicación y mediante el control de la posición de los interruptores y seccionadores de la subestación.

6. Capacidad Multifuncional

A diferencia de los relés electromecánicos y analógicos, una sola caja de relé numérico puede incorporar múltiples funciones de protección y control. Por lo que los relés numéricos reducen el espacio requerido en el panel de protección y en los requisitos del cableado. Es decir, modernizar una subestación con relés numéricos también nos da el beneficio de reducir los puntos de falla del sistema de protecciones al reducir la cantidad de relés auxiliares que se requieren en sistemas electromecánicos.

En otras palabras, una caja de relé numérico puede proporcionar prácticamente todos los requisitos de protección y control para un generador, una terminal de línea y otras instalaciones del sistema. Sin embargo, se teme que una sola falla en el relé numérico pueda desactivar toda la protección que se proporciona para una instalación del sistema.

Es por esto que, en instalaciones muy robustas, se recomienda aplicar el criterio de redundancia: instalar dos o más relés numéricos para proteger cada sección del sistema eléctrico. De este modo, si un relé falla, todavía quedará otro relé operando como respaldo. Inclusive, si hay que hacerle mantenimiento a un relé, se puede desconectar del sistema y dejar un segundo relé operativo para sostener la protección del sistema durante el mantenimiento.

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7. Simplificación del Cableado

Las subestaciones con relés electromecánicos suelen tener las instalaciones con un cableado voluminoso, debido a que los relés auxiliares y los relés de cada función de protección están separados en cajas diferentes. Por lo que cada uno requiere un tiro de cable para cada funcionalidad.

Mientras que, los relés numéricos pueden incorporar todas esas funciones en una sola caja, y requerir menores tiros de cables, dado que cada función de operación está alojada en el software del relé. Por lo tanto, el cableado se simplifica considerablemente y se reducen los riesgos de puntos de falla porque se mitigan los errores en el conexionado de control.

La mayor ventaja se observa en los esquemas de protección de los transformadores de potencia. Debido a que con la tecnología electromecánica se debía desarrollar la conexión de los transformadores de corrientes (TC) con un análisis cuidadoso. Ya que, dependiendo del grupo de conexión del transformador (Delta o Estrella), los relés diferenciales requieren que los transformadores de corrientes sean cableados con esquemas complejos para poder realizar la comparación diferencial de forma adecuada.

En cambio, al modernizar las protecciones con relés numéricos simplemente se configura vía software cuál es el grupo de conexión del transformador de potencia. Y, el relé calcula internamente las corrientes equivalentes de los TC para poder hacer la comparación diferencial.

Conclusión

Las subestaciones eléctricas que aún tengan relés electromecánicos o analógicos pueden seguir operando de la forma en que lo vienen haciendo desde que se construyó. Desde el punto de vista operativo, siguen ejecutando la filosofía de protección que se diseñó desde sus comienzos. Por lo que el sistema sigue estando protegido.

Sin embargo, con los relés numéricos se pueden tomar ventajas de funciones de protección complementarias que nos pueden ayudar a optimizar los esquemas de protección y reducir molestias en los usuarios finales. Además, permiten reducir los errores de disparo, y aumentan la seguridad de detección de algunos tipos de fallas que anteriormente no era posible detectar con tanta precisión.

El análisis definitivo tendrá más peso en relación de la pérdida de dinero, reputación y tiempo que les está llevando a la empresa de servicio eléctrico que opera la subestación. Si no tienen ningún tipo de pérdida, ni problemas de detección de fallas especiales, entonces no será necesario hacer la modernización. Pero, si la empresa de servicio está recibiendo quejas excesivas de los usuarios finales, si la calidad del servicio está quemando motores costosos, si está afectando la reputación de la empresa, entonces es aconsejable modernizar los relés de protecciones de la subestación.

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Referencias Bibliográficas

Taylor and Francis Group, LLC. (2006). Protective Relaying, Principles and Applications. Third Edition.

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