La protección del sistema eléctrico es una rama de la ingeniería eléctrica que se ocupa de la protección de los sistemas eléctricos contra fallas [ cita requerida ] mediante la desconexión de las partes defectuosas del resto de la red eléctrica . El objetivo de un esquema de protección es mantener estable el sistema eléctrico aislando solo los componentes que están en falla, mientras se deja la mayor parte posible de la red en funcionamiento. Los dispositivos que se utilizan para proteger los sistemas eléctricos contra fallas se denominan dispositivos de protección .
Los sistemas de protección generalmente constan de cinco componentes
Para partes de un sistema de distribución, los fusibles pueden detectar y desconectar fallas .
En cada parte pueden ocurrir fallas, como fallas de aislamiento, líneas de transmisión caídas o rotas, operación incorrecta de interruptores, cortocircuitos y circuitos abiertos. Los dispositivos de protección se instalan con el objetivo de proteger los activos y garantizar el suministro continuo de energía.
Los equipos de conmutación son una combinación de interruptores de desconexión eléctrica, fusibles o disyuntores que se utilizan para controlar, proteger y aislar equipos eléctricos. Los interruptores se pueden abrir de forma segura bajo una corriente de carga normal (algunos interruptores no son seguros para funcionar bajo condiciones normales o anormales), mientras que los dispositivos de protección se pueden abrir de forma segura bajo una corriente de falla. Los equipos muy importantes pueden tener sistemas de protección completamente redundantes e independientes, mientras que una línea de distribución secundaria puede tener una protección muy simple y de bajo costo. [1]
La protección del sistema de transmisión y distribución cumple dos funciones: protección de la planta y protección del público (incluidos los empleados). En un nivel básico, la protección desconecta el equipo que experimenta una sobrecarga o un cortocircuito a tierra. Algunos elementos de las subestaciones, como los transformadores, pueden requerir protección adicional en función de la temperatura o la presión del gas, entre otros.
En una central eléctrica, los relés de protección tienen como finalidad evitar daños en los alternadores o en los transformadores en caso de condiciones de funcionamiento anormales, debido a fallos internos, así como fallos de aislamiento o mal funcionamiento de la regulación. Este tipo de fallos son poco habituales, por lo que los relés de protección tienen que funcionar muy raramente. Si un relé de protección no detecta un fallo, el daño resultante en el alternador o en el transformador puede requerir costosas reparaciones o sustitución de equipos, así como la pérdida de ingresos por la incapacidad de producir y vender energía.
La protección contra sobrecargas requiere un transformador de corriente que simplemente mide la corriente en un circuito y la compara con el valor predeterminado. Hay dos tipos de protección contra sobrecargas: sobrecorriente instantánea (IOC) y sobrecorriente temporizada (TOC). La sobrecorriente instantánea requiere que la corriente supere un nivel predeterminado para que funcione el disyuntor. La protección contra sobrecorriente temporizada funciona en función de una curva de corriente en función del tiempo. En función de esta curva, si la corriente medida supera un nivel determinado durante el tiempo preestablecido, funcionará el disyuntor o el fusible. La función de ambos tipos se explica en "Protección contra sobrecorriente no direccional" en YouTube .
La protección contra fallas a tierra también requiere transformadores de corriente y detecta un desequilibrio en un circuito trifásico. Normalmente, las corrientes trifásicas están en equilibrio, es decir, son aproximadamente iguales en magnitud. Si una o dos fases se conectan a tierra a través de una ruta de baja impedancia, sus magnitudes aumentarán drásticamente, al igual que el desequilibrio de corriente. Si este desequilibrio excede un valor predeterminado, debe operar un disyuntor. La protección contra fallas a tierra restringida es un tipo de protección contra fallas a tierra que busca fallas a tierra entre dos conjuntos de transformadores de corriente [2] (por lo tanto, está restringida a esa zona).
La protección de distancia detecta tanto el voltaje como la corriente. Una falla en un circuito generalmente creará una caída en el nivel de voltaje. Si la relación entre el voltaje y la corriente medida en los terminales del relé, que equivale a una impedancia, se encuentra dentro de un nivel predeterminado, el disyuntor funcionará. Esto es útil para líneas razonablemente largas, líneas de más de 10 millas, porque sus características de funcionamiento se basan en las características de la línea. Esto significa que cuando aparece una falla en la línea, el ajuste de impedancia en el relé se compara con la impedancia aparente de la línea desde los terminales del relé hasta la falla. Si se determina que el ajuste del relé está por debajo de la impedancia aparente, se determina que la falla está dentro de la zona de protección. Cuando la longitud de la línea de transmisión es demasiado corta, menos de 10 millas, la protección de distancia se vuelve más difícil de coordinar. En estos casos, la mejor opción de protección es la protección diferencial de corriente. [ cita requerida ]
El objetivo de la protección es eliminar únicamente la parte afectada de la planta y nada más. Un disyuntor o un relé de protección pueden dejar de funcionar. En sistemas importantes, una falla de la protección primaria generalmente dará como resultado el funcionamiento de la protección de respaldo. La protección de respaldo remota generalmente eliminará tanto los elementos afectados como los no afectados de la planta para eliminar la falla. La protección de respaldo local eliminará los elementos afectados de la planta para eliminar la falla.
La red de bajo voltaje generalmente depende de fusibles o disyuntores de bajo voltaje para eliminar tanto las sobrecargas como las fallas a tierra.
El sistema masivo, que es un gran sistema eléctrico interconectado que incluye el sistema de transmisión y control, enfrenta nuevas amenazas de ciberseguridad todos los días. (“Electric Grid Cybersecurity”, 2019). La mayoría de estos ataques apuntan a los sistemas de control de las redes. Estos sistemas de control están conectados a Internet y facilitan que los piratas informáticos los ataquen. Estos ataques pueden causar daños a los equipos y limitar la capacidad de los profesionales de las empresas de servicios públicos para controlar el sistema.
La coordinación de dispositivos de protección es el proceso de determinar el momento "más adecuado" para la interrupción de la corriente cuando se producen condiciones eléctricas anormales. El objetivo es minimizar una interrupción del suministro eléctrico en la mayor medida posible. Históricamente, la coordinación de dispositivos de protección se realizaba en papel translúcido. Los métodos modernos normalmente incluyen análisis y generación de informes detallados basados en computadora.
La coordinación de la protección también se maneja dividiendo el sistema eléctrico en zonas de protección. Si ocurriera una falla en una zona dada, se ejecutarán las acciones necesarias para aislar esa zona del sistema completo. Las definiciones de zona tienen en cuenta generadores , buses, transformadores , líneas de transmisión y distribución y motores . Además, las zonas poseen las siguientes características: las zonas se superponen, las regiones superpuestas denotan disyuntores y todos los disyuntores en una zona dada con una falla se abrirán para aislar la falla. Las regiones superpuestas se crean mediante dos conjuntos de transformadores de instrumentos y relés para cada disyuntor. Están diseñados para la redundancia para eliminar áreas desprotegidas; sin embargo, las regiones superpuestas están diseñadas para permanecer lo más pequeñas posible de modo que cuando ocurre una falla en una región superpuesta y las dos zonas que abarcan la falla están aisladas, el sector del sistema eléctrico que se pierde del servicio sigue siendo pequeño a pesar de que dos zonas están aisladas. [3]
Los equipos de monitoreo de perturbaciones (DME) monitorean y registran datos del sistema relacionados con una falla . Los DME cumplen tres propósitos principales:
Los dispositivos DME incluyen: [5]
Los ingenieros de protección definen la confiabilidad como la tendencia del sistema de protección a funcionar correctamente en caso de fallas dentro de la zona. Definen la seguridad como la tendencia a no funcionar en caso de fallas fuera de la zona. Tanto la confiabilidad como la seguridad son cuestiones de confiabilidad. El análisis del árbol de fallas es una herramienta con la que un ingeniero de protección puede comparar la confiabilidad relativa de los esquemas de protección propuestos. Cuantificar la confiabilidad de la protección es importante para tomar las mejores decisiones sobre la mejora de un sistema de protección, gestionar las compensaciones entre confiabilidad y seguridad y obtener los mejores resultados por el menor dinero. Una comprensión cuantitativa es esencial en la competitiva industria de servicios públicos. [6] [7]
Fiabilidad: Confiabilidad vs. Seguridad
Existen dos aspectos del funcionamiento confiable de los sistemas de protección: la confiabilidad y la seguridad. [8] La confiabilidad es la capacidad del sistema de protección de operar cuando se le solicita que elimine un elemento defectuoso del sistema de energía. La seguridad es la capacidad del sistema de protección de abstenerse de operar durante una falla externa. Elegir el equilibrio apropiado entre seguridad y confiabilidad al diseñar el sistema de protección requiere criterio de ingeniería y varía según el caso.