Protecciones en las instalaciones eléctricas : evolución y perspectivas / Paulino Montané Sangrá.

CONTENIDO
1. Generalidades 1
1.1 Desarrollo histórico 2
1.1.1 Sistemas de protección directos 2
1.1.2 Sistemas de protección indirectos 3
1.2 Planificación de las protecciones 9
1.3 Exigencias básicas de los equipos de protección 10
1.4 Instalaciones de un sistema eléctrico 12
1.4.1 Elementos de un sistema eléctrico 13
1.4.2 Incidente en un sistema eléctrico 13
1.5 Tratamiento del neutro en un sistema eléctrico 14
1.6 Cálculo de cortocircuitos 17
1.6.1 Cálculo en valores óhmicos 18
1.6.2 Cálculo en valores relativos 19
1.6.3 Transformaciones estrella-triángulo 29
1.6.4 Componentes simétricas 31
1.6.4.1 Determinación de las componentes simétricas para diferentes tipos de cortocircuitos 38
1.6.5 Tablas de valores 56
2. Equipos asociados a las protecciones 63
2.1 Transformadores de medida 63
2.1.1 Transformadores de intensidad 64
2.1.2 Transformadores de tensión 75
2.2 Interruptores automáticos 87
2.3 Fuentes de alimentación auxiliar 91
2.3.1 Baterías de acumuladores 91
2.3.2 Cargadores 92
2.4 Equipos de señalización 94
2.5 Equipos de automatismo 96
2.6 Equipos de comunicación asociados a las protecciones 97
3. Perturbaciones 103
3.1 Tipos de perturbaciones 104
3.2 Limitación de las perturbaciones 107
3.3 Especificaciones de ensayo para las protecciones 108
3.3.1 Ensayo de tensión soportada 108
3.3.2 Clasificación para ensayos de onda de choque y disturbios de alta frecuencia 109
3.3.3 Ensayo de onda de choque 112
3.3.4 Ensayo de disturbios de alta frecuencia 113
3.3.5 Ensayos de disturbios por campos electromagnéticos radiados 114
3.3.6 Ensayos de disturbios por descargas de electricidad estática 115
3.4 Perturbaciones y su medio ambiente 116
4. Enumeración y descripción de los sistemas de protección más usuales 123
4.1 Protección de sobreintensidad 123
4.1.1 Protección de sobreintensidad a tiempo independiente 123
4.1.2 Protección de sobreintensidad a tiempo dependiente o tiempo inverso 126
4.1.3 Protección de sobreintensidad con frenado de tensión132
4.2 Protección de sobreintensidad direccional 132
4.2.1 Principio de la Protección de sobreintensidad direccional 136
4.2.2 Protección direccional de fases 140
4.2.3 Protección direccional de neutro 142
4.3 Configuraciones típicas en protecciones de sobreintensidad 145
4.4 Protección diferencial 147
4.4.1 Principios básicos 147
4.4.2 Mezclado de intensidades 153
4.4.3 Detección de faltas resistentes 156
4.4.4 Protección diferencial longitudinal 160
4.4.5 Protecciones diferenciales de barras 168
4.4.6 Protección diferencial transversal 176
4.5 Protección de comparación de fase 178
4.5.1 Principios básicos 178
4.5.2 Mezclado de intensidades 181
4.5.3 Elementos de arranque 185
4.5.4 Transmisión de la señal 188
4.5.5 Análisis funcional 190
4.5.6 Dispositivos de pruebas 192
4.6 Protección de comparación direccional 193
4.7 Protección de sobretensión y subtensión 196
4.8 Protección de frecuencia 197
4.9 Protección de distancia 200
4.9.1 Sistemas de medida 201
4.9.2 Escalones de medida 212
4.9.3 Aplicación de las protecciones de distancia a redes trifásicas 214
4.9.4 Particularidades de la medida en las faltas monofásicas 220
4.9.5 Particularidades de la medida en las faltas bifásicas 223
4.9.6 Particularidades de la medida en las faltas trifásicas 226
4.9.7 Elementos de arranque 228
4.9.8 Protecciones conmutadas 231
5. Recomendaciones para la protección de instalaciones eléctricas 237
5.1 Protecciones de generadores 237
5.1.1 Protección diferencial de generador 239
5.1.2 Protección de sobretensión 241
5.1.3 Protección de subtensión 242
5.1.4 Protección contra falta a tierra en la red exterior 243
5.1.5 Protección de pérdida de excitación (sub-excitación) 244
5.1.6 Protección de cortocircuitos entre espiras 247
5.1.7 Protección de contactos a tierra en el estator 251
5.1.8 Protección de falta a tierra en el rotor 259
5.1.9 Protección de retornos de energía 261
5.1.10 Protección de carga asimétrica 261
5.1.11 Protección de mínima impedancia en la estrella del generador 264
5.1.12 Protección de mínima impedancia en el lado de A.T. del transformador 265
5.1.13 Protección de subfrecuencia 265
5.1.14 Protección de sobrevelocidad 267
5.1.15 Protección de energización involuntaria o de máquina muerta 267
5.1.16 Fatiga en el eje 268
5.1.17 Disparos de las protecciones 269
5.2 Protecciones de transformadores 271
5.2.1 Protección primaria contra sobretensiones 272
5.2.2 Protección de las instalaciones de refrigeración 273
5.2.3 Protección Buchholz 273
5.2.4 Protección de sobrecarga 273
5.2.5 Protección del dispositivo de regulación 275
5.2.6 Protección diferencial 276
5.2.7 Protección diferencial de neutro 2855.2.8 Protección de cuba 286
5.2.9 Protección de sobreintensidad 288
5.2.10 Protección de mínima impedancia 291
5.2.11 Protección de sobretensión 292
5.2.12 Protección de sobreexcitación 292
5.3 Protección de líneas y cables 292
5.3.1 Protección de sobrecarga 294
5.3.2 Protección de sobreintensidad 294
5.3.3 Protección de sobreintensidad direccional 295
5.3.4 Protección de distancia 296
5.3.5 Protección de distancia con dispositivo de teleproteccion 299
5.3.6 Protección de antipenduleo de potencia 304
5.3.7 Protección de falta a tierra en un sistema con neutro aislado 305
5.3.8 Protección para faltas resistentes 307
5.3.9 Protección diferencial longitudinal 312
5.3.10 Protección de comparación de fases 313
5.3.11 Protección de comparación direccional 313
5.3.12 Protección de discordancia de polos 318
5.3.13 Equipos de normalización del servicio 318
5.3.14 Equipos de localización de averías 322
5.4 Protección de barras 325
5.4.1 Protección de barras M.T. 327
5.4.2 Protección de barras A.T. 332
5.5 Protecciones de baterías de condensadores 339
5.5.1 Fenómenos de conexión y desconexión en las baterías de condensadores 340
5.5.2 Protección de baterías de condensadores derivación 342
5.5.3 Cálculo del desequilibrio en baterías de condensadores derivación 347
5.5.4 Protección de baterías de condensadores serie 355
5.6 Protecciones de motores 358
5.6.1 Protección contra fallo de cojinetes 3595.6.2 Protección térmica del estator 359
5.6.3 Protección diferencial de fases 3595.6.4 Protección de sobreintensidad 360
5.6.5 Detección de condiciones anormales de funcionamiento 361
5.6.6 Protecciones adicionales para motores síncronos 366
5.6.7 Relé universal para protección de motores 368
5.7 Protecciones comunes para la red 369
5.7.1 Protección de frecuencia 370
5.7.2 Detección de pérdida de estabilidad 373
5.7.3 Protección contra colapsos de tensión 374
5.8 Protecciones en instalaciones de baja tensión 375
5.8.1 Dispositivos de protección reglamentarios 378
5.8.2 Protección contra sobrecargas 379
5.8.3 Protección de cortocircuitos 381
5.8.4 Protección de contactos a tierra 385
5.8.5 Cortacircuitos fusibles 388
6. Coordinación de los sistemas de protección 393
6.1 Criterios sobre la selectividad 393
6.2 Trazado de curvas de intensidad-tiempo 395
6.3 Consideraciones sobre los valores límite de ajuste 399
6.4 Resolución de un ejemplo práctico 400
7. Etapas fundamentales para la definición, instalación y conservación de las protecciones 441
7.1 Definición del esquema de protección 442
7.2 Proyecto 442
7.3 Recepción 443
7.4 Instalación y verificación 452
7.4.1 Verificación del aislamiento de los circuitos secundarios 453
7.4.2 Comprobaciones en los transformadores de intensidad 453
7.4.3 Comprobaciones en las protecciones diferenciales 455
7.4.4 Verificación de un relé de secuencia inversa 456
7.4.5 Dispositivos de conmutación para pruebas 457
7.5 Puesta en marcha 457
7.5.1 Procedimiento de verificación y ajuste 458
7.5.2 Hojas de filiación 463
7.5.3 Comprobaciones en los transformadores de tensión 4667.5.4 Verificación de un relé direccional de neutro 466
7.6 Seguimiento del funcionamiento 468
7.7 Mantenimiento 471
7.8 Reparación de averías 475
7.9 Investigación 475
8. Experiencias y ensayos en los sistemas de protección 477
8.1 Ensayo de la protección diferencial de un transformador 62 MVA 110/6,9 kV 479
8.1.1 Antecedentes 479
8.1.2 Ensayo de los transformadores de intensidad auxiliares 479
8.1.3 Registros de intensidad de conexión del transformador 479
8.1.4 Ensayos en la protección diferencial 480
8.1.5 Conclusiones 482
8.2 Comportamiento de las protecciones de distancia en líneas de aportación débil de corriente de cortocircuito fase a tierra 483
8.2.1 Antecedentes 483
8.2.2 Registro de un cortocircuito monofásico 484
8.2.3 Diseño complementario para situaciones de aportación débil de cortocircuito fase a tierra en un extremo de la línea 487
8.2.4 Conclusiones 489
8.3 Respuesta de una protección de distancia electrónica conmutada ante faltas evolutivas 489
8.3.1 Antecedentes 489
8.3.2 Ensayos de la protección de distancia con magnitudes estacionarias. Funcionamiento de la protección 489
8.3.3 Ensayo de la protección en un simulador de red 492
8.3.4 Comprobación del funcionamiento de la protección con un analizador lógico 494
8.3.5 Conclusiones 4988.4 Efectos de la componente continua de la corriente de cortocircuito en el funcionamiento de las protecciones de distancia 500
8.4.1 Antecedentes 500
8.4.2 Ensayos reales de cortocircuito 501
8.4.3 Ensayos sobre una maqueta 501
8.4.4 Conclusiones 502
8.5 Actuaciones incorrectas de relés de frecuencia al desenergizar una Subestación 503
8.5.1 Antecedentes 503
8.5.2 Ensayos del relé de frecuencia 503
8.5.3 Ensayos de los transformadores de tensión 504
8.5.4 Registros del transitorio de desconexión en la subestación 504
8.6Influencia de la capacidad conductor-pantalla de los cables de control en perturbaciones conducidas 506
8.6.1 Antecedentes 506
8.6.2 Registros de perturbaciones en la central 508
8.6.3 Medidas provisionales 509
8.6.4 Registros de perturbaciones en la subestación 509
8.6.5 Conclusiones 512
8.7 Actuaciones incorrectas de relés direccionales de fases 513
8.7.1 Antecedentes 513
8.7.2 Comprobación de la instalación 513
8.7.3 Incidencia de los transformadores 25/11 kV 515
8.7.4 Modificación de los ángulos de conexión y de par máximo 518
8.8 Actuaciones incorrectas de los relés direccionales de neutro 519
8.8.1 Antecedentes 519
8.8.2 Comprobación de la instalación 519
8.8.3 Análisis de la saturación de los transformadores de intensidad 520
8.9 Explosión de un transformador de tensión originada por el fenómeno de resonancia 522
8.9.1 Antecedentes 522
8.9.2 Análisis de la instalación 523
8.9.3 Registros de las tensiones secundarias de los T/T 524
8.10 Consecuencias de la falta de sincronismo entre los contactos principales y auxiliares de los interruptores 526
8.10.1 Antecedentes 526
8.10.2 Análisis de la instalación 526
8.10.3 Comprobación del sincronismo de los contactos principales y auxiliares de los interruptores A.T. 527
8.11 Influencia de las perturbaciones en el funcionamiento de los equipos electrónicos 529
8.11.1 Antecedentes 529
8.11.2 Señales inducidas entre circuitos de un cable multiconductor 530
8.11.3 Señales inducidas entre circuitos de un cable al maniobrar seccionadores A.T 532
9. Las protecciones del futuro, una nueva concepción 539
10. Perspectivas de evolución de los sistemas eléctricos y su equipamiento 543
10.1 Los medios de generación 544
10.1.1 Concentración de los medios de generación 546
10.1.2 Evolución de los generadores 547
10.1.3 Sistemas de control y medida 551
10.2 Los medios de transporte 555
10.2.1 La regulación de la tensión 556
10.2.2 Estabilidad de la red 557
10.2.3 El diseño de las subestaciones del futuro 559
10.2.4 Aspectos ambientales 560
10.3 Los medios de distribución 561
10.3.1 Planificación de la distribución de energía eléctrica 563
10.3.2 Evolución de los diseños y equipamiento 564
10.4 Supervisión y control 566
10.5 Fiabilidad, disponibilidad y seguridad en los sistemas eléctricos y las protecciones 569
10.5.1 Criterios de seguridad en los sistemas eléctricos 571
10.5.2 Fiabilidad de los sistemas de protección 574
11. Bibliografía 583