Protección de alimentadores de distribución contra fallas simultáneas

La comisión federal de electricidad aplica el esquema de protección contra fallas simultáneas en subestaciones de distribución.

Todos los sistemas de distribución pueden experimentar fallas donde participan más de un alimentador. Durante las fallas simultáneas, el relevador del transformador del lado de baja tensión mide una corriente superior a la medida por los relés de los alimentadores fallidos. Por lo tanto, el relé de transformador puede disparar más rápido que los relevadores de los alimentadores fallidos, perdiendo la coordinación de protecciones.

Por Héctor Lemus, Jorge Betanzos, Eliseo Alcázar, David Sánchez y Héctor Altuve.

Los alimentadores de distribución en las subestaciones siempre deben ser radiales. La protección de éstos incluye elementos de sobrecorriente instantánea (50) y de tiempo inverso (51).

El relevador de protección del lado de baja tensión del transformador detecta posibles fallas de los circuitos alimentadores e incluye elementos de protección de sobrecorriente de tiempo inverso como protección de respaldo.

Se utiliza normalmente el recierre automático en los interruptores de los circuitos alimentadores. El interruptor del lado de baja tensión del transformador no tiene reconexión automática.

Para fallas en algún circuito, la medición de los relevadores del alimentador fallido y del transformador (respaldo) prácticamente es la misma corriente. Los relevadores de los alimentadores están ajustados para operar más rápido que el relevador del transformador del lado de baja tensión. Éste sólo operará en caso de que el esquema de protección del alimentador haya fallado; sin embargo, para fallas simultáneas en alimentadores, la corriente medida por el relé del transformador es mayor que la corriente medida por cada relevador de los circuitos con falla. El relevador del transformador puede operar más rápido que el relevador de los alimentadores con falla y tener una operación indeseada del interruptor de respaldo (salida de banco).

La mala operación del interruptor del transformador afecta la carga de los alimentadores sanos. Dada la creciente incidencia de este tipo de fallas simultáneas, la Comisión Federal de Electricidad decidió aplicar el esquema de protección contra fallas simultáneas en subestaciones de distribución hace algunos años. Por ejemplo, la División de Distribución Sureste cuenta con 17 esquemas en operación y la División de Distribución Jalisco, con tres instalados recientemente.

Fallas simultáneas

La necesidad de garantizar el suministro de energía eléctrica ha hecho que se incremente la complejidad de la topología de la red de distribución. Los equipos instalados en la red de media tensión, como restauradores, desconectadores o cuchillas, permiten la transferencia de cargas a fuentes alternas en condiciones de mantenimiento programado o emergencias.

Los problemas legales por los derechos de vía hacen necesario el uso de multicircuitos en líneas aéreas o líneas que están muy cerca entre sí en las mismas estructuras. Como resultado, las fallas simultáneas entre dos o más circuitos cada vez son más frecuentes.

Las causas más comunes donde se presentan fallas simultáneas son:

• Varios circuitos en la misma estructura o comparten el mismo derecho de vía
• Enlaces en la red de media tensión
• Descargas atmosféricas

Figura 1. La operación de enlaces cerrados puede causar fallas simultáneas en sistemas de distribución

La figura 1 muestra un sistema de distribución con cuatro alimentadores y sus enlaces a través de switches normalmente abiertos (NA) entre los alimentadores adyacentes.

Bajo condiciones normales, el sistema de distribución mostrado opera de manera radial. Para una falla permanente en el alimentador 2 entre el interruptor B2 y el switch S2, el interruptor B2 disparará, haciendo su ciclo de recierres correspondiente hasta llegar al bloqueo. Entonces, el personal de operación abrirá el switch desconectador S2 para aislar la falla. Después, cerrarán alguno de los switches (S12 o S23) para restablecer el servicio de la gran parte de la carga conectada normalmente al alimentador 2 (adelante del switch S2).

Cuando exista telecontrol en el punto de seccionamiento, el operador del sistema puede enviar comandos de control a los switches de la red de distribución desde el centro de operación; en ese caso, el tiempo de restablecimiento durará sólo unos minutos. Cuando no exista el telecontrol en este tipo de equipos, se tendrá que trasladar personal de campo hasta la ubicación de los switches y operarlos manualmente; por lo que el restablecimiento del sistema podría tardar algunas horas.

Dado que las maniobras de los desconectadores son poco frecuentes, es necesario cerrar y abrir periódicamente el switch (NO) como una operación de mantenimiento preventivo. Esta operación puede causar una falla simultánea de dos maneras:

• El switch falla durante la prueba y queda cerrado
• Se presenta una falla en el alimentador cuando el switch está cerrado

Figura 2. Para fallas en circuito, la medición de la corriente en los relés del transformador y del alimentador fallido es prácticamente igual

Problemas de coordinación con relevadores

Para fallas de circuito en un sistema de distribución radial, las mediciones de los relevadores de sobrecorriente del transformador del lado de baja tensión y la del alimentador de sobrecorriente fallido son prácticamente la misma corriente (figura 2).

La figura 3 muestra un ejemplo de coordinación de elementos de corriente de tiempo inverso entre los relevadores del transformador y del alimentador.

Para fallas en el alimentador, los elementos de sobrecorriente de tiempo inverso deben coordinarse para todas las fallas que se puedan presentar, con cualquier valor de corriente. El tiempo típico de coordinación entre curvas debe ser de 0.3 a 0.4 segundos.

Cuando ambos elementos tienen el mismo tipo de curva de tiempo-corriente, la separación mínima entre las curvas se produce con el valor de la falla máxima.

Figura 3. Coordinación de protecciones (tiempo-corriente) para fallas en alimentadores

En el ejemplo de la coordinación de la figura 3, la separación (?t) de la curva es igual a 0.3 segundos para una falla de corriente máxima de 6.750 A.

El elemento de sobrecorriente del relevador de respaldo del transformador también debe proteger a éste contra fallas transitorias o corrientes de falla de paso. Por lo tanto, la curva tiempo-corriente del relé de sobrecorriente del transformador debe estar situada entre la curva del relé del alimentador y la curva de daño del transformador de potencia, como se muestra en la figura 3.

El relé del transformador realmente mide la suma de todas las corrientes de los alimentadores, incluyendo la carga. Si la carga es bastante alta, los ajustes del relé del transformador (tap o palanca) se deben incrementar.

En los ejemplos de las figuras 3 y 4 se muestran condiciones de poca carga (despreciable).

Figura 4. Para una falla simultánea, el relé de transformador mide una corriente mayor a la corriente medida por cada relé de los alimentadores fallidos

Para una falla simultánea de dos o más alimentadores (ver figura 4), el relé del lado de baja tensión del transformador mide la corriente de falla total (suma de las corrientes en todos los alimentadores fallidos), más la corriente de carga de los alimentadores sin falla. El relé de los que presentan mal funcionamiento mide únicamente la corriente de falla del propio circuito. Por tanto, el relé de sobrecorriente de tiempo inverso del transformador es capaz de disparar simultáneamente o más rápido que el relevador de sobrecorriente del alimentador.

La mala operación del relé de protección del transformador por falla simultánea en alimentadores desconectará los circuitos fallidos, pero también los alimentadores sanos. Todas las cargas alimentadas por el transformador quedarán sin potencial debido a la operación de la protección del lado de baja tensión por la falla presentada, sea ésta de naturaleza permanente o transitoria, ya que el interruptor carece de recierre automático.

El personal operativo debe trasladarse a la subestación para volver a cerrar manualmente el interruptor del transformador. Posiblemente, la restauración del servicio llevará varias horas, incluso si el tipo de falla es de naturaleza transitoria.

Figura 5. El relevador de protección de sobrecorriente de tiempo inverso del transformador puede operar indeseablemente durante una falla simultánea que involucra dos alimentadores

La figura 5 ilustra un problema de coordinación de protecciones por la falla simultánea mostrada en la figura 4.

Suponemos que los elementos de sobrecorriente de los alimentadores tienen curvas tiempo-corriente idénticas y despreciamos las corrientes de carga para simplificar el caso.

Una falla simultánea de 6.750 A provoca corrientes iguales para ambos alimentadores: IT = 6.750 A; I1 = I2 = 3.375 A. El tiempo de operación del elemento de sobrecorriente para cada alimentador será de 0.42 segundos; el tiempo de operación del elemento de sobrecorriente del respaldo será de 0.6 s.

El margen de tiempo de operación es 0.6 – 0.42 = 0.18 segundos (lapso demasiado corto para coordinar adecuadamente). El relevador del transformador puede operar de forma indeseable durante esta falla.

En otro caso, las corrientes de los alimentadores pueden ser diferentes para fallas simultáneas. Por ejemplo, una falla puede resultar en IT = 6.750 A; I1 = 4.850 A, e I2 = 1.900 A. Para esta falla, los tiempos de operación son 0.35 segundos en el relevador del alimentador 1; 0.6 segundos en el relevador del alimentador 2, y 0.6 segundos en el relevador del transformador (figura 5).

Los márgenes de tiempos de operación son: 0.6 – 0.35 = 0.25 segundos para el relevador del alimentador 1, y 0.6 – 0.6 = 0 segundos para el relevador del alimentador 2. El relevador del transformador operará indeseablemente durante esta falla.

En este ejemplo, el interruptor del alimentador 1 dispara primero, causando que la corriente del alimentador 2 se incremente (este ahora lleva el total de la corriente de falla). El relevador del alimentador 2 puede disparar en menos de 0.6 segundos, pero no con suficiente rapidez para prevenir la mala operación del interruptor del transformador.

La mayoría de los relevadores incluyen elementos de sobrecorriente instantánea (50). Los relevadores del transformador y de los alimentadores coordinan de buena manera para fallas simultáneas si la corriente de falla alcanza el valor del elemento instantáneo de los alimentadores.

Figura 5. El relevador de protección de sobrecorriente de tiempo inverso del transformador puede operar indeseablemente durante una falla simultánea que involucra dos alimentadores

En la figura 6, por ejemplo, el elemento de sobrecorriente instantánea del alimentador está ajustado en 3.000 A. Para una corriente de falla de 6.750 A, ambos alimentadores registran 3.375 A con falla simultánea; entonces, los relevadores de sobrecorriente de los alimentadores operarían con el elemento instantáneo (50), y el elemento de sobrecorriente (51) del transformador no llegaría a operar, por lo que existiría una adecuada coordinación de protecciones para este caso.

En otro caso, las corrientes de los alimentadores pueden ser diferentes para fallas simultáneas. Por ejemplo, una falla puede resultar en IT = 6.750 A; I1 = 4.850 A, e I2 = 1.900 A. Para esta falla, los tiempos de operación son 0.35 segundos en el relevador del alimentador 1; 0.6 segundos en el relevador del alimentador 2, y 0.6 segundos en el relevador del transformador (figura 5).

Los márgenes de tiempos de operación son: 0.6 – 0.35 = 0.25 segundos para el relevador del alimentador 1, y 0.6 – 0.6 = 0 segundos para el relevador del alimentador 2. El relevador del transformador operará indeseablemente durante esta falla.

En este ejemplo, el interruptor del alimentador 1 dispara primero, causando que la corriente del alimentador 2 se incremente (este ahora lleva el total de la corriente de falla). El relevador del alimentador 2 puede disparar en menos de 0.6 segundos, pero no con suficiente rapidez para prevenir la mala operación del interruptor del transformador.

La mayoría de los relevadores incluyen elementos de sobrecorriente instantánea (50). Los relevadores del transformador y de los alimentadores coordinan de buena manera para fallas simultáneas si la corriente de falla alcanza el valor del elemento instantáneo de los alimentadores.

En la figura 6, por ejemplo, el elemento de sobrecorriente instantánea del alimentador está ajustado en 3.000 A. Para una corriente de falla de 6.750 A, ambos alimentadores registran 3.375 A con falla simultánea; entonces, los relevadores de sobrecorriente de los alimentadores operarían con el elemento instantáneo (50), y el elemento de sobrecorriente (51) del transformador no llegaría a operar, por lo que existiría una adecuada coordinación de protecciones para este caso.

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Jorge Betanzos Manuel y Héctor E. Lemus Zavala,

Comisión Federal de Electricidad, Div. Sureste y Div. Jalisco, respectivamente.

Eliseo Alcázar Ramírez, David Sánchez Escobedo, y Héctor J. Altuve,

Schweitzer Engineering Laboratories, Inc.