La protección de sistemas de energía es una rama de la ingeniería de energía eléctrica que se ocupa de la protección de los sistemas de energía eléctrica 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 de energía aislando solo los componentes que tienen fallas, mientras se deja en funcionamiento la mayor parte posible de la red. Los dispositivos que se utilizan para proteger los sistemas de energía de fallas se denominan dispositivos de protección .
Los sistemas de protección suelen constar de cinco componentes.
Para partes de un sistema de distribución, los fusibles son capaces de detectar y desconectar fallas .
Pueden ocurrir fallas en cada parte, como fallas de aislamiento, líneas de transmisión caídas o rotas, funcionamiento incorrecto de disyuntores, cortocircuitos y circuitos abiertos. Los dispositivos de protección se instalan con el objetivo de proteger los activos y garantizar el suministro continuo de energía.
El equipo de distribución es 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 con seguridad bajo una corriente de carga normal (algunos interruptores no son seguros para operar en condiciones normales o anormales), mientras que los dispositivos de protección se pueden abrir con seguridad bajo una corriente de falla. Equipos muy importantes pueden tener sistemas de protección completamente redundantes e independientes, mientras que una línea de distribución secundaria menor 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 objetivo prevenir daños a los alternadores o a los transformadores en caso de condiciones anormales de operación, debido a fallas internas, así como fallas de aislamiento o mal funcionamiento de la regulación. Este tipo de fallos son inusuales, por lo que los relés de protección tienen que funcionar muy raramente. Si un relé de protección no detecta una falla, el daño resultante al alternador o al transformador podría requerir costosas reparaciones o reemplazos de equipos, así como una pérdida de ingresos por la incapacidad de producir y vender energía.
La protección contra sobrecarga 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 sobrecarga: sobrecorriente instantánea (IOC) y sobrecorriente temporal (TOC). La sobrecorriente instantánea requiere que la corriente exceda un nivel predeterminado para que funcione el disyuntor. La protección contra sobrecorriente de tiempo opera según una curva de corriente versus tiempo. Según esta curva, si la corriente medida excede un nivel determinado durante el período de tiempo preestablecido, el disyuntor o fusible funcionará. 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 tres corrientes de fase están en equilibrio, es decir, aproximadamente iguales en magnitud. Si una o dos fases se conectan a tierra a través de una ruta de baja impedancia, sus magnitudes aumentarán dramáticamente, al igual que el desequilibrio de corriente. Si este desequilibrio excede un valor predeterminado, se debe operar un disyuntor. La protección de falla a tierra restringida es un tipo de protección de falla a tierra que busca fallas a tierra entre dos conjuntos de transformadores de corriente [2] (por lo tanto, restringida a esa zona).
La protección de distancia detecta tanto voltaje como corriente. Una falla en un circuito generalmente creará una caída en el nivel de voltaje. Si la relación entre voltaje y corriente medida en los terminales del relé, que equivale a una impedancia, cae dentro de un nivel predeterminado, el disyuntor funcionará. Esto es útil para líneas razonablemente largas, líneas de más de 10 millas, porque sus características operativas 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 la configuración 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 actual. [ cita necesaria ]
El objetivo de la protección es eliminar sólo la porción afectada de la planta y nada más. Es posible que un disyuntor o un relé de protección no funcionen. En sistemas importantes, una falla de la protección primaria generalmente resultará en la operación de la protección de respaldo. La protección de respaldo remota generalmente eliminará los elementos de la planta afectados y no afectados 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 un sistema de transmisión y control, está experimentando nuevas amenazas de ciberseguridad todos los días. (“Ciberseguridad de la red eléctrica”, 2019). La mayoría de estos ataques tienen como objetivo 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 al equipo y limitar la capacidad de los profesionales de servicios públicos para controlar el sistema.
La coordinación de dispositivos de protección es el proceso de determinar el momento "mejor adecuado" para la interrupción de la corriente cuando ocurren condiciones eléctricas anormales. El objetivo es minimizar una interrupción en la mayor medida posible. Históricamente, la coordinación de los dispositivos de protección se realizaba en papel traslúcido de registro a registro. Los métodos modernos normalmente incluyen análisis e 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 determinada, se ejecutarán las acciones necesarias para aislar esa zona de todo el sistema. Las definiciones de zona incluyen generadores , barras, transformadores , líneas de transmisión y distribución y motores . Además, las zonas poseen las siguientes características: las zonas se superponen, las regiones superpuestas indican disyuntores y todos los disyuntores en una zona determinada con una falla se abrirán para aislar la falla. Las regiones superpuestas son creadas por dos conjuntos de transformadores de instrumentos y relés para cada disyuntor. Están diseñados para 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 de energía que se pierde del servicio sigue siendo pequeño a pesar de las dos zonas. estando aislado. [3]
El equipo de monitoreo de perturbaciones (DME) monitorea y registra los datos del sistema relacionados con una falla . DME logra tres propósitos principales:
Los dispositivos DME incluyen: [5]
Los ingenieros de protección definen la confiabilidad como la tendencia del sistema de protección a operar correctamente ante fallas en la zona. Definen la seguridad como la tendencia a no operar ante fallas fuera de 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 cómo mejorar un sistema de protección, gestionar las compensaciones entre confiabilidad y seguridad y obtener los mejores resultados por la menor cantidad de dinero. Una comprensión cuantitativa es esencial en la competitiva industria de servicios públicos. [6] [7]
Confiabilidad: confiabilidad versus seguridad
Hay dos aspectos del funcionamiento confiable de los sistemas de protección: confiabilidad y seguridad. [8] La confiabilidad es la capacidad del sistema de protección para operar cuando se le solicita que retire un elemento defectuoso del sistema de energía. La seguridad es la capacidad del sistema de protección para impedir su funcionamiento durante una falla externa. Elegir el equilibrio adecuado entre seguridad y confiabilidad en el diseño del sistema de protección requiere criterio de ingeniería y varía según el caso.