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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL ESCUELASUPERIORDEINGENIERIAMECANICAYELECTRICA

UNIDADPROFESIONALADOLFOLPEZMATEOS

COORDINACIN DE PROTECCIONES CONTRA CORTO CIRCUITO EN LNEAS DE TRANSMISIN POR MEDIO DE UN SOFTWARE COMERCIAL

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN: GARCA ALCNTARA EDSON MAURICIO

MONTIEL RODRGUEZ JAVIER IVN

ASESOR:

DR. DAVID SEBASTIN BALTAZAR

MXICO, D.F. A 3 DE DICIEMBRE DE 2009

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EIECTRICISfA POR LA OPCION DE TITULACION TESIS YEXAMENORALINDIVIDUAL DEBERA(N) DESARROLLAR C. EDSONMAURICIOGARCAALCNIARA

C. ]AVIERIVNMONTIELRODRGOEZ

"COORDINACIN DE PROTECCIONES CONTRA CORTO CIRCUITO EN LNEAS DE TRANSMISIN, POR MEDIO DE UN SOFTWARE COMERCIAL".

. - lt ~

DE LOS RELEVADORES

A 16 DE AGOSTO DE 2010

ASESORES

AGRADECIMIENTOS

Durante todos estos aos he tenido el apoyo incondicional de muchas personas tanto en

lo acadmico como en lo personal, a todos quiero agradecer su tiempo, sus palabras, su

apoyo y sus consejos que aunque parecieran insignificantes, para mi fueron de gran

utilidad y motivacin.

En primer lugar quiero agradecer a mi profesor y asesor de tesis, Dr. David Sebastin

Baltazar por su paciencia, apoyo y confianza, en m como persona y durante todo el

trabajo. Gracias por su tiempo y sus consejos para hacer de este trabajo lo mejor posible.

En segundo lugar, agradezco a mi compaero de tesis y amigo Javier Ivn Montiel

Rodrguez, quien con su dedicacin y buenos aportes me ayudo para poder realizar juntos

este trabajo.

En tercer lugar, agradezco de manera significativa a mi hermano Mario Alberto, siempre

estuviste soportndome cuando a altas horas de la madrugada yo segua trabajando en

este proyecto y nunca me reprochaste nada, al contrario me decas que me

despreocupara. Tambin agradezco el aporte material que me facilitaste para realizar esta

ardua tarea.

Por ltimo, y no por eso menos importante, quiero agradecer de todo corazn a quienes

han estado conmigo en las buenas y en las malas, desde que nac hasta la fecha, a mis

padres rosa Mara Alcntara Lpez y Mario Alberto Garca Camacho, sin ustedes no

hubiera sido posible ningn logro en mi vida, los amo y nunca olvidare las situaciones

difciles que tuvieron que pasar para darme todo el apoyo que me ayudo a ser lo que

ahora soy.

EDSON MAURICIO GARCA ALCNTARA

AGRADECIMIENTOS

La presente Tesis es un esfuerzo en el cual, directa o indirectamente, participaron varias

personas leyendo, opinando, corrigiendo, teniendo paciencia, dando nimo,

acompaando en los momentos de crisis y en los momentos de felicidad.

La cual est dedicada a mis padres:

Mis hroes, los siervos inalcanzables de entrega y devocin para esta alma y sus

necesidades e infinita proteccin.

Gracias por toda su valiosa enseanza, pero sobre todo, gracias por su amor.

A mis profesores:

Por habernos enseado el hbito de estudiar, por habernos inculcado ha no solo pensar

en grande si no ha ser grandes.

Porque sin su valiosa gua nada de esto podra haberse culminado.

De corazn, muchas gracias

JAVIER IVN MONTIL RODRGUEZ

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

NDICE GENERAL

CAPTULO 1 INTRODUCCIN

1.1 INTRODUCCIN..1 1.2 OBJETIVO ................................................................................................................................ 2 1.3 JUSTIFICACIN ...................................................................................................................... 2 1.4 ALCANCES DEL TRABAJO .................................................................................................. 3 1.5 ESTRUCTURA DE LA TESIS ............................................................................................... 4

CAPTULO 2 CORTOCIRCUITO

2.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................................... 6 2.2 TIPOS DE FALLAS POR CORTOCIRCUITO Y SUS EFECTOS .................................... 6 2.3 EFECTO INFEED .................................................................................................................... 8

2.3.1 Resistencia de falla............................................................................................. 9 2.4 IMPORTANCIA DE LA SELECCIN DE PROTECCIONES CONTRA FALLAS DE CORTOCIRCUITO ............................................................................................................................ 10 2.5 MTODO DE LAS COMPONENTES SIMTRICAS ....................................................... 12

2.5.1 Clculo de cortocircuito empleando componentes simtricas ........................... 16 2.5.1.1 Ejemplo usando componentes simtricas ........................................................... 18

CAPTULO 3 SISTEMAS DE PROTECCIN 3.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................... 24 3.2 PRINCIPALES ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIN ....................... 27

3.2.1 Transformadores de instrumento ...................................................................... 27 3.2.1.1 Transformadores de corriente (TCs)............................................................. 28 3.2.1.2 Transformadores de potencial (TPs) ............................................................ 30

3.2.2 Interruptores ..................................................................................................... 31 3.2.3 Relevadores ..................................................................................................... 31 3.2.4 Banco de bateras ............................................................................................ 32

3.3 CARACTERSTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIN .................................... 32 3.3.1 Confiabilidad ..................................................................................................... 33 3.3.2 Selectividad ...................................................................................................... 35 3.3.3 Velocidad .......................................................................................................... 35 3.3.4 Simplicidad ....................................................................................................... 36 3.3.5 Economa ....................................................................................................... 37

3.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL SISTEMA DE PROTECCIN ........................ 37 3.4.1 Economicos ...................................................................................................... 37 3.4.2 Factor de personalidad ..................................................................................... 38

3.4.3 Ubicacin de dispositivos de entrada y desconexin. ........38 3.4.4 Disponibilidad de indicadores de falla ............................................................... 38

3.5 FUNDAMENTOS DE PROTECCIN....................................................................... 39 3.5.1 Proteccin de distancia y sobrecorriente (soluciones de coordinacin)....... .......39

3.5.1.1 Solucin por tiempo ..................................................................................... 41 3.5.2 Proteccin de respaldo: remota contra local...................................................... 41


CAPTULO 4 RELEVADORES DE PROTECCIN 4.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................... 43 4.2 FUNCIONAMIENTO DEL RELEVADOR DE PROTECCIN ................................... 43

4.2.1 Operacin correcta ........................................................................................... 43 4.2.2 Operacin incorrecta ........................................................................................ 44 4.2.3 Operacin indefinida ......................................................................................... 44

4.3 RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE-TIEMPO ............................................... 45 4.4 RELEVADORES DE DISTANCIA DE FASE ............................................................ 46 4.5 DIAGRAMA R-X ...................................................................................................... 46 4.6 CARACTERSTICA MHO ........................................................................................ 47 4.7 RELEVADORES DE DISTANCIA DE TIERRA ........................................................ 48 4.8 PRINCIPIOS DE APLICACIN DEL RELEVADOR ................................................. 49

CAPTULO 5 PROTECCIN DE LINEAS 5.1 CLASIFICACIN DE LINEAS Y ALIMENTADORES ............................................... 51 5.2 CLASIFICACIN DE LINEAS PARA PROTECCIN ............................................... 51 5.3 LINEAS DE TRANSMISIN Y SUBTRANSMISIN ................................................ 52 5.4 TECNICAS Y EQUIPO PARA PROTECCIN DE LINEAS ...................................... 53 5.5 TRANSFORMADORES ........................................................................................... 54

CAPTULO 6 COORDINACIN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIN

6.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................... 57 6.2 CRITERIO GENERAL DE AJUSTE Y FUNDAMENTOS DE COORDINACIN ....... 58

6.2.1 Ajuste del relevador de sobrecorriente-tiempo de fase ...................................... 58 6.2.2 Ajuste del relevador de sobrecorriente-tiempo de tierra .................................... 59

6.2.3 Ajuste de relevadores de sobrecorriente instantneos de fase y de tierra...........60 6.3 PROTECCIN DE DISTANCIA PARA FALLAS DE FASE ..................................... .61 6.4 APLICACIONES DE RELEVADORES DE DISTANCIA EN SISTEMAS PROTE-GIDOS CON RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE DE TIEMPO INVERSO ............. 65 6.5 PROTECCIN DE LINEAS CONTRA FALLAS A TIERRA ...................................... 65 6.6 PROTECCIN DE DISTANCIA PARA FALLAS A TIERRA Y DIRECCION DE LA SOBRECORRIENTE........66

CAPTULO 7 EJEMPLOS PRACTICOS DE COORDINACIN DE RELEVADORES UTILIZANDO EL SOFTWARE

7.1 INTRODUCCIN ..................................................................................................... 68 7.2 EJEMPLO DE AJUSTE DE TIEMPO DE OPERACIN ENTRE DOS RELEVADORES DE DISTANCIA...69 7.3 AJUSTE DE LOS RELEVADORES DE DISTANCIA Y DE SOBRECORRIENTE......81

7.3.1 Ajuste de zonas de los relevadores de distancia a su respectivo porcentaje de lnea de acuerdo a los criterios de proteccin.82

7.3.1.1 Comprobacin de los ajustes del relevador de distancia...................................90


7.3.2 Coordinacin de un relevador de distancia con un relevador de sobrecorriente para proteger un transformador de potencia........................................... .... ......92

7.4 AJUSTE Y COORDINACIN DE LOS RELEVADORES DE DISTANCIA.................97 7.4.1 Ejemplo de ajuste y coordinacin de relevadores de distancia ....................... 100

7.4.1.1 Ajustes del relevador ................................................................................... 100 7.4.1.2 Simulacin de fallas y re-ajustes de zonas de proteccin ............................ 103 7.4.1.3 Coordinacin de relevadores de distancia ................................................... 106 7.4.1.4 Anlisis de resultados ................................................................................. 109 7.4.1.5 Operacin simultnea de un grupo de relevadores ..................................... 111

7.5 AJUSTE Y COORDINACIN DE RELEVADORES DE SOBRECORRIENTE ....... 112 7.5.1 Ejemplo de ajuste y coordinacin de relevadores de sobrecorriente ............... 112

7.5.1.1 Resmen para el ajuste de los relevadores de sobrecorriente .................... 116 7.5.1.2 Coordinacin del interruptor 1 ante falla cercana F1 ................................... 117 7.5.1.3 Coordinacin del interruptor 1 ante falla de extremo de lnea ...................... 120 7.5.1.4 Coordinacin del interruptor 2 ante falla cercana F2 ................................... 124 7.5.1.5 Coordinacin del interruptor 4 ante falla de bus remoto F-ARK ................... 127

7.5.1.6 Anlisis de resultados............................................................................................130 7.6 AJUSTE Y COORDINACIN DE LOS DISPOSITIVOS DE PROTECCIN PARA TRANSFORMADORES DE LA SUBESTACION EL CONDE ................... 131

7.6.1 Valores y datos iniciales para determinar ajustes y coordinacin de dispositivos de proteccin de transformadores....133 7.6.2 Determinacin de la curva de dao del transformador ECPU-T1 ................134 7.6.3 Clculo de ajustes de proteccin para ECPU-T1 (lado 115 kV -72010)........... 139

7.6.3.1 Clculo de ajustes del relevador de fase 51F .............................................. 139 7.6.3.2 Clculo de ajustes del relevador de tierra 51N ............................................ 141

7.6.4 Clculos de ajustes de proteccin para ECPU T1 (lado 13.8 kV -42010)............143 7.6.4.1 Clculo de ajustes del relevador de fase 51F .............................................. 143 7.6.4.2 Clculo de ajustes del relevador de tierra 51N ............................................ 145

7.6.5 Clculo de ajustes de proteccin para planta industrial (lado carga 4010) ...... 147 7.6.5.1 Clculo de ajustes del relevador de fase 51F .............................................. 147 7.6.5.2 Clculo de ajustes del relevador de tierra 51N ............................................ 148

7.6.6 Simulacin de fallas y resultados .................................................................... 150 7.6.7 nalisis de resultados ..................................................................................... 156 7.6.8 Conclusiones .................................................................................................. 160 CAPTULO 8 CONCLUSIONES GENERALES..................162 REFERENCIAS...163 APNDICE A .USO DE ASPEN ONE LINER PARA ANLISIS DE COORDINACIN DE PROTECCIONES164

A.1 INTRODUCCIN .................................................................................................. 164

A.2 FUNCIONES ........................................................................................................ 164 A.2.1 Funciones usadas en este estudio .................................................................. 165

A.2.1.1 One liner ..................................................................................................... 165 A.2.1.2 Editor de relevadores de sobrecorriente ...................................................... 165 A.2.1.3 Editor de relevadores de distancia .............................................................. 165

A.3 CARACTERSTICAS PRINCIPALES .................................................................... 166 A.4 COMO INICIAR A USAR EL SOFTWARE ............................................................. 166


A.5 NOMENCLATURA DE BUSES Y RELEVADORES ............................................... 168 A.6 ADICIN Y ELIMINACION DE RELEVADORES ................................................... 170 A.7 SIMULACIN DE FALLAS .................................................................................... 172

A.7.1 Valores de corriente (de secuencia y de fase) ................................................ 173 A.7.2 Adaptacin de buses ficticios .......................................................................... 174

A.8 TIEMPOS DE OPERACIN DE RELEVADORES ................................................. 177 A.9 GRFICAS DE OPERACIN...........................................................................................177

A.9.1 Relevadores de sobrecorriente ....................................................................... 179 A.9.2 Relevadores de distancia................................................................................ 181

APNDICE B CRITERIOS DE AJUSTE Y COORDINACIN DE PROTECCIONES .......... 182


1

CAPTULO 1

1.1 INTRODUCCIN

La ingeniera elctrica es una de las ciencias ms complejas, por esta razn el estudio

del sistema elctrico de potencia requiere de un anlisis detallado de cada uno de sus

componentes. Para que exista un funcionamiento correcto de cada uno de los

elementos de la red, as como tambin para garantizar la continuidad y por ende la

satisfaccin de los usuarios, se debe de contar con una buena planeacin, diseo y

construccin para un funcionamiento ptimo del sistema elctrico de potencia. Esto

nos conduce a la necesidad de predecir el comportamiento de dicho sistema en caso

de fallas, ya que estas podran daar severamente el equipo y adems, sera

interrumpida la continuidad del funcionamiento de la red elctrica. Por esta razn, se

debern emplear herramientas ms poderosas y sofisticadas que ayuden a analizar y

hacer menos difcil el estudio de los problemas en el sistema de potencia.

Por las razones mencionadas anteriormente, los elementos que juegan un papel

importante en la continuidad y mayor tiempo de vida del equipo, son los dispositivos de

proteccin. Un sistema de proteccin debe ser capaz de operar lo ms rpido posible,

de tal forma que si se presenta una falla, el sistema de potencia no se vea afectado y

disminuya su confiabilidad. Debido a esto, el sistema de potencia cuenta con equipo

de proteccin diseado para actuar dentro de ciertos lmites. Para una respuesta ms

precisa y rpida ante una falla, el sistema de potencia posee dispositivos automticos

que operan de tal forma que al presentarse un problema que sobrepase estos lmites

de los elementos de proteccin, este se asla protegiendo as al resto de los elementos

de la red elctrica. Por otro lado, si al ocurrir una falla el sistema sigue operando por

encima de los lmites para el que fue diseado, existir el riesgo de la desconexin de

algunos otros equipos en la red. Si este problema no se resuelve a tiempo, el sistema

completo o grandes partes del mismo podran colapsarse, llegando incluso a una

interrupcin del servicio. Es por esta razn que los dispositivos de proteccin deben

operar desde la presencia de una falla inicial para evitar su propagacin hacia el resto

del sistema.

Las protecciones juegan un papel muy importante en la estabilidad del sistema, ya que

como se mencion anteriormente, deben aislar una falla en el menor tiempo posible.

Las fallas deben ser controladas para garantizar el suministro de energa elctrica a

los usuarios, y de este modo se cumplir con los objetivos establecidos de seguridad,


2

calidad, continuidad y economa, ya que al evitar los daos al equipo se reducirn

costos.

En este trabajo, los dispositivos de proteccin que se analizarn son relevadores de

sobrecorriente y de distancia, ya que solo se enfocar a las lneas de transmisin del

sistema de potencia. Uno de los problemas ms comunes en este elemento del

sistema es el corto circuito, por lo que se ver a detalle cmo prevenir los daos y

resolver este tipo de problema por medio de clculos para el diseo de las

protecciones, las cuales deben ser capaces de combatir esta sobrecorriente. En

conjunto con los relevadores de proteccin estn los interruptores, los cuales van a

realizar la interrupcin del circuito elctrico y as evitar que se dae ms equipo de la

red. Un relevador sin interruptor no tiene sentido, ya que uno es el que detecta y luego

ordena la desconexin y otro la ejecuta. Para llevar a cabo estas funciones, se debe

contar con una excelente coordinacin de protecciones, ya que de esto depende la

rapidez con que se aisl la falla; para facilitar la coordinacin de protecciones y el

ajuste de los dispositivos de proteccin, se empleara un software comercial, el cual es

una herramienta sofisticada para el modelado de relevadores que actuarn en la red,

simulacin de fallas y otras caractersticas que se explicaran con ms detalle en

captulos posteriores. Este trabajo tiene la finalidad de realizar distintas simulaciones

para lograr, de acuerdo a los resultados y el anlisis, la coordinacin de protecciones.

1.2 OBJETIVO

Analizar el comportamiento de la red ante condiciones de falla empleando un software

para realizar el clculo y ajuste de todos los dispositivos de proteccin existentes en

lneas de transmisin con la finalidad de evitar disparos innecesarios, debido a la falta

de coordinacin entre estos elementos. Probar la metodologa descrita para el ajuste

de relevadores, mediante la evaluacin de respuesta de estos dispositivos los cuales

protegen el sistema elctrico de potencia.

1.3 JUSTIFICACIN

Un aspecto importante a considerar en la operacin y planeacin de los sistemas

elctricos de potencia es su comportamiento en condiciones de falla. Debido a esto se

debe tener en cuenta que un equipo o sistema elctrico puede sufrir daos severos

que son costosos y peligrosos. En este estudio, se pone especial atencin en las

lneas de transmisin, ya que de estas depende el abastecimiento de energa en todo


3

el sistema de potencia, por lo que es necesario disear las instalaciones en tal forma

que contengan los elementos de proteccin adecuados.

Una de las fallas ms importantes a considerar es el corto circuito, por lo que se debe

contar con una herramienta de aplicacin concreta para analizar estos problemas. Por

el tamao de la red y la cantidad de elementos que intervienen, es necesario emplear

un software que ayude en el diseo a fin de prevenir estos efectos y plantear los

dispositivos de proteccin indicados y la coordinacin de los mismos.

Este mtodo de coordinacin permite al usuario evaluar los ajustes de los elementos

de proteccin en las lneas de transmisin por medio del software llamado ASPEN

ONE LINER. Este programa tiene una gran utilidad ya que aparte de la coordinacin

de dichas protecciones, permite realizar el anlisis de corto circuito en puntos

especficos simulando fallas en todo el sistema y de forma simultnea. Adems, este

mtodo puede ser empleado para realizar un sinfn de pruebas ya que ofrece un

modelado de elementos tales como: generadores, cargas, lneas de transmisin,

transformadores, cambiadores de fase, etc. Otra aplicacin de este programa es la

localizacin de fallas en uno o varios nodos de la red, gracias a su calculo de

equivalentes de frontera.

Trabajar con un software como este nos ofrece una gran conveniencia ya que no

representa riesgo alguno para el usuario gracias a que su ambiente es totalmente

grfico para editar la red, hacer anlisis y mostrar resultados.

1.4 ALCANCE DEL TRABAJO

Con este trabajo se pretende mostrar la coordinacin entre dispositivos de proteccin,

en este caso relevadores de distancia y de sobrecorriente para proteger al equipo que

se encuentra dentro de la red de trabajo, como son: Lneas y transformadores.

Para el desarrollo de este trabajo se cuenta con un software que permite realizar dicha

coordinacin;(Aspen One Liner). Este software proporciona las herramientas

necesarias para el ajuste y coordinacin de los relevadores.


4

1.5 ESTRUCTURA DE LA TESIS

Captulo 1. Es la presentacin del trabajo, en donde se plantea a que se quiere llegar

con este estudio, esto es el objetivo. Para explicar porque es til desarrollar la tesis y

que beneficios tiene, se cuenta con una justificacin en donde se presentan los

argumentos para llevar a cabo el estudio, y tambin el alcance que tiene.

Captulo 2. Aqu comienzan los aspectos tericos, los cuales son necesarios para

tener una base solida durante el desarrollo de la tesis. Este captulo consta de la

principal causa por la cual son indispensables las protecciones, esta es la presencia

de fallas por corto circuito. Esto viene complementado con los tipos de fallas, efectos

que tiene en el sistema elctrico de potencia y mtodos para conocer su magnitud

segn las caractersticas de operacin de la red, en este caso el mtodo de

componentes simtricas.

Captulo 3. Se habla del sistema de proteccin, caractersticas, factores que influyen

en su funcionamiento y elementos que lo componen. Hablar del sistema de proteccin

es importante debido a que es este sistema el que evitara daos al equipo elctrico y

personal que lo opera. Estos elementos de proteccin son la principal causa de este

trabajo, ya que lo que se persigue es su coordinacin para aislar la zona con falla.

Captulo 4. Para la realizacin de la tesis solo se emplea un dispositivo de proteccin,

este es el relevador. Ms en particular, los tipos de relevadores que se analizan son

los de sobrecorriente de tiempo inverso y los de distancia. En este captulo se

explican sus caractersticas principales, funcionamiento y aplicaciones en la proteccin

del sistema elctrico de potencia.

Captulo 5. En este estudio la aplicacin de los relevadores es en lneas de

transmisin, y aqu se presenta su clasificacin y las tcnicas para proteger de manera

adecuada este elemento del sistema.

Captulo 6. Es la parte en donde comienza el principal objetivo de esta tesis, es decir

la coordinacin de protecciones. En este captulo se presentan las bases tericas para

realizar los diferentes ajustes de los dos tipos de relevadores a emplear.

Captulo 7. Es el capitulo en donde se realiza la experimentacin por medio del

software para lograr la coordinacin de protecciones. Es aqu donde se analiza el


5

proceso de coordinacin y se determinan los criterios para ajustar los relevadores que

debern operar de manera coordinada para aislar una falla de cualquier tipo. Para

realizar esta experimentacin se presentan varios casos a modo de contar con

resultados suficientes que proporcionen la confiabilidad en este mtodo de

coordinacin.

Captulo 8. Por ltimo se muestran las conclusiones en base a los resultados que se

obtuvieron. Es la parte ms importante, ya que aqu se argumenta de manera definida

que esta tesis es til para la coordinacin de protecciones por medio del software

empleado


6

CAPTULO 2. CORTO CIRCUITO

2.1 INTRODUCCIN Cuando se habla de protecciones, inmediatamente viene a la mente el porqu de esta

proteccin. Sin duda, uno de los aspectos a cuidar en el servicio de transmisin de

energa elctrica, es que este sea continuo. Desgraciadamente no existe un sistema

totalmente perfecto que no est expuesto a distintas fallas ya sea por origen de la

naturaleza o por errores de equipo o incluso humanos. Una de las fallas mas

importantes a considerar es el cortocircuito, el cual es una condicin indeseada por

cualquier ingeniero de protecciones, ya que este tipo de falla puede daar

considerablemente desde un elemento del sistema hasta gran parte de este. Es por

esto que en este estudio se considera este tipo de falla, ya que el trabajo se enfoca a

la proteccin del sistema elctrico de potencia ante situaciones crticas, as, la

coordinacin de protecciones ayudar en el aislamiento de esta falla, de manera

rpida para no daar en demasa el equipo, y por lo tanto tratar de que una mnima

parte del sistema quede fuera de servicio.

Antes de seleccionar los dispositivos de proteccin a utilizar en el sistema elctrico, es

necesario determinar las magnitudes de corriente que podran presentarse en la red

bajo ciertas condiciones de falla. Dependiendo de la complejidad del sistema, la

determinacin de estas magnitudes de falla tambin son algo complicadas.

Afortunadamente, existen varios mtodos para facilitar el clculo de la corriente de

corto circuito, tales como uso de matrices, componentes simtricas, calculo por valores

por unidad, valores base, etc. Estas herramientas tienen por objetivo mostrar un valor,

el cual sirve de base para seleccionar adecuadamente la capacidad interruptiva de los

interruptores y el clculo de los ajustes de los relevadores de proteccin.

2.2 TPOS DE FALLAS POR CORTO CIRCUITO Y SUS EFECTOS La mayora de las fallas que ocurren en los sistemas de potencia, son fallas

asimtricas que consisten en cortocircuitos asimtricos, fallas asimtricas a travs de

impedancias o conductores abiertos. La trayectoria de una corriente de falla de lnea a

lnea o de lnea a tierra puede o no contener impedancia de falla. Uno o dos

conductores abiertos dan como resultado fallas asimtricas a travs de la ruptura de

uno o dos conductores o bien, de la accin de fusibles u otros mecanismos que no

pueden abrir las tres fases simultneamente. El mtodo de las componentes

simtricas es til en un anlisis para determinar las corrientes y valores de tensin en


7

todas las partes del sistema despus de que ha ocurrido la falla, porque cualquier falla

asimtrica da origen a que fluyan corrientes desbalanceadas en el sistema.

Una falla puede ser balanceada o desbalanceada. Es balanceada cuando las tres

fases intervienen de manera semejante en el cortocircuito. En una falla

desbalanceada las tres fases intervienen en el cortocircuito de manera diferente.

Tres fases a tierra

Tres fases entre si

Dos fases a tierra

Dos fases entre si

Una fase a tierra

Basndose en datos estadsticos en los cuales se puede ver la ocurrencia de fallas en

los sistemas elctricos, se puede observar en trminos generales que la falla por corto

circuito que tiene la probabilidad ms alta de ocurrencia es la denominada de lnea a

tierra y en orden descendente seguira la de lnea a lnea quedando en ltimo trmino

la falla trifsica cuya ocurrencia se presenta principalmente por errores humanos.

La falla de lnea a tierra puede tener su origen en distintas causas como pueden ser

fallas en los aislamientos, contacto de un conductor de fase con estructuras, carcasas,

descargas atmosfricas, contactos de ramas de rbol con conductores, entre otros.

La corriente de corto circuito para este tipo de falla se ve afectada por la forma en que

se encuentran conectados los neutros de los equipos y aparatos conectados a tierra,

ya que representan los puntos de retorno para la circulacin de las corrientes de

secuencia cero, por lo que para el estudio de este tipo de fallas es necesario

considerar la forma en que se encuentran conectadas las redes de secuencia de

acuerdo al punto de falla y en particular en la llamada red de secuencia cero que est

constituida por las impedancias de secuencia cero de los elementos del sistema y el

tipo de conexin.

La determinacin de la corriente total de falla en un punto, se obtiene como la

contribucin de las corrientes de corto circuito de los elementos activos de la red bajo

estudio en ese punto; esto significa que se requiere elaborar un diagrama de

impedancias que considere las secuencias positiva, negativa y cero, a partir de estos

diagramas se obtienen las impedancias equivalentes en cada caso, vistas del punto de

la falla hacia la fuente de alimentacin del corto circuito.


8

Las fallas se clasifican en Temporales y Permanentes. Una falla temporal es aquella

que desaparece antes de que se presente un dao severo en el equipo, como

ejemplos se tiene: flameo de aisladores de porcelana, movimiento de conductores por

el aire, etc. Una falla permanente es aquella que persiste independientemente de la

velocidad con la que el circuito es desenergizado, como ejemplo se tienen los

conductores rotos, estructuras cadas, etc.

2.3 EFECTO INFEED Cuando el sistema elctrico tiene una configuracin compleja donde se encuentran

varias centrales interconectadas, las cuales constituyen alimentaciones a las fallas, se

produce un efecto infeed como el que se muestra en la figura 2.1. El efecto infeed

aumenta el valor de la impedancia vista por el relevador en la barra C para fallas ms

all de la barra B, con lo cual el relevador ve las fallas ms all de su real ubicacin.

Figura 2.1 Efecto infeed [7]

A B E

C D

H

G F

Z= md m=slope

Z=md

(1+k)

21

(a) IA IB

I

c

ID

I

F

I

G

IH


9

Figura 2.2 Efecto infeed variable segn la posicin de la falla [7]

Es necesario considerar las alternativas de configuracin con y sin el efecto infeed

para determinar los ajustes en las condiciones ms desfavorables. Ms an, si se

tiene un sistema con lneas paralelas, el efecto infeed puede ser variable segn la

ubicacin de la falla, tal como se muestra en la figura 2.2. En este caso, el efecto

infeed para la impedancia vista por el relevador en la barra A depende de la posicin

de la falla en la lnea BC.

En las lneas de transmisin se debe simular fallas por lo menos 25%, 50% y 75% de

la lnea. En los casos en que se tiene efecto de infeed variable se debe simular las

fallas al 10%, 20%, 30%, etc. de la lnea, a fin de determinar las condiciones ms

desfavorables. Las simulaciones de fallas sern de los siguientes tipos:

Fallas monofsicas a tierra sin resistencia de falla

Fallas monofsicas a tierra con alta resistencia de falla

Fallas bifsicas (fase-fase) con resistencia de falla

Fallas trifsicas sin resistencia de falla

2.3.1 Resistencia de Falla

Al producirse una falla no siempre se tiene un cortocircuito franco sino que el

fenmeno suele presentarse con una resistencia de falla que tiene los siguientes

componentes:

La Resistencia del Arco que se produce por la falla, el cual se forma en el aire y tiene

una longitud segn la distancia del aislamiento correspondiente.

ID

IA

IC


10

La Resistencia de Puesta a Tierra del punto donde se produce la falla, la cual

corresponde al camino de retorno por tierra hasta la fuente

Para las simulaciones de las fallas en las lneas de transmisin se debe considerar

que la Resistencia de Puesta a Tierra puede ser hasta 50 Ohms. Pero es deseable

modelar valores mayores de 100 Ohms o ms, sobre todo en los siguientes casos:

Un terreno de alta resistividad elctrica, ya que si se tiene una lnea en terreno

rocoso o arenoso de alta resistividad, ser difcil conseguir una buena puesta a

tierra.

El diseo de la lnea sin cable de guarda, ya que el cable de guarda constituye

una conexin que pone en paralelo las puestas a tierra de las estructuras de la

lnea, lo que se traduce en una disminucin de la resistencia de puesta a tierra

en las fallas.

2.4 IMPORTANCIA DE LA SELECCIN DE PROTECCIONES CONTRA FALLA DE CORTO CIRCUITO La seleccin apropiada de los dispositivos de proteccin protectores y de su activacin

adecuada, se basa en los clculos de corto circuito. Un dispositivo de proteccin

contra corto circuito puede definirse como un dispositivo elctrico que se instala en un

circuito para protegerlo contra daos ocasionados por una sobrecarga o corto circuito.

Esto se logra mediante la interrupcin automtica de cualquier corriente que exceda la

capacidad contra corto circuito del dispositivo.

Los estudios de corto circuito en los sistemas elctricos como algunos otros, se hacen

con un propsito especfico, es decir que deben tener una aplicacin concreta para la

solucin de un posible problema. En principio se puede decir que el corto circuito es

una condicin indeseable en un sistema elctrico pero que se puede presentar con

una cierta probabilidad con diferentes orgenes primarios por lo que se debe

considerar esto en el diseo, lo cual se logra con el clculo de corto circuito, con el fin

de prevenir los efectos del corto circuito y proveer al sistema de elementos de

desconexin adecuados, los dispositivos de proteccin indicados y la coordinacin de

los mismos.


11

En general se puede mencionar que un estudio de corto circuito sirve para:

1. Determinar las caractersticas interruptivas de los elementos de desconexin

(interrupcin) de las corrientes de corto circuito como son interruptores,

fusibles, restauradores, entre otros.

2. Realizar un estudio para la seleccin y coordinacin de los dispositivos de

proteccin contra las corrientes de corto circuito.

3. Hacer los estudios trmicos y dinmicos debidos a los efectos de las corrientes

de corto circuito en algunos elementos de las instalaciones como son: barras,

tableros, cables, buses de fase aislada, etc.

4. Relacionar los efectos del corto circuito con otros estudios de sistema.

En funcin de lo anterior, se puede ver que es importante para cualquier instalacin

elctrica hacer el estudio de corto circuito, por lo que es necesario saber en principio

que elementos intervienen y en qu forma, as como los valores nominales requeridos

en cada caso.

Con relacin al nivel de tensin al que se debe enfocar el estudio, en el cual para este

caso se debe tomar en cuenta valores de alta tensin para lneas de transmisin, este

anlisis se tendr que realizar con computadora digital debido a la magnitud de la red

y a la cantidad de elementos que intervienen. En este libro se tiene como apoyo para

realizar este clculo el software ASPEN ONE LINER, el cual se presentara ms

adelante.

En los clculos de cortocircuito se debe considerar las impedancias para las

condiciones ms desfavorables, de acuerdo a lo siguiente [7]:

Para los generadores se debe usar las impedancias sub-transitorias no saturadas

Para los transformadores se debe usar las impedancias correspondientes a las

derivaciones (taps) de operacin ms desfavorables.

Para las lneas se debe usar las impedancias propias; y en el caso de lneas en

paralelo, las impedancias mutuas.


12

Figura 2.3 Corriente de cortocircuito en fallas cercanas a los generadores. [7]

Los clculos deben permitir determinar no slo las corrientes totales de falla en las

barras de las subestaciones, sino tambin los aportes a las corrientes de falla de cada

circuito conectado a dichas barras. De manera similar se debe calcular las corrientes

de falla en las lneas de transmisin. En la figura 2.3 se muestran las formas de onda

correspondientes a las reactancias en estado transitorio, sub-transitorio y estable, y

tambin en conjunto para visualizar el comportamiento de la corriente de cortocircuito.

2.5 MTODO DE LAS COMPONENTES SIMTRICAS [9] El mtodo de componentes simtricas proporciona una metodologa prctica para

entender y analizar la operacin de un sistema durante condiciones desequilibradas de

potencia, tales como las causadas por las fallas entre fases y tierra, fases abiertas,

impedancias desequilibradas, y as sucesivamente. Adems, muchos relevadores de

proteccin funcionan a partir de cantidades de componentes simtricas.

0.

1

0.2 0.3

Contribucin de la

reactancia

subtransitoria

Contribucin de la

reactancia transitoria

Contribucin de la

reactancia de estado

estacionario

Componente

aperidica

t (s)

Subtransitoria

Transitoria Estado estable

Corriente de corto circuito total

t (s)


13

Las fallas y los desbalances frecuentemente ocurren y muchos no requieren un

anlisis detallado. Sin embargo con el uso de la computadora es posible realizar

estudios de fallas con un acceso rpido a los datos voluminosos. En este captulo solo

se revisan las componentes simtricas para los sistemas trifsicos. Para estos

sistemas hay tres ajustes distintos de componentes: positivo, negativo, y cero para la

corriente y la tensin, las cantidades de fase son siempre lnea-a-neutro o lnea-a-

tierra.

Componentes de secuencia positiva.

Grupo formado por tres fasores balanceados (igual magnitud y desfasados

120), secuencia abc, con subndice (1).

Componentes de secuencia negativa.

Grupo de tres fasores balanceados, secuencia opuesta acb, con subndice (2)

Componentes de secuencia cero

Grupo integrado por tres fasores de igual magnitud, sin desfasamiento, es

decir, sin secuencia o simultneos, con subndice (0)

En la figura 2.4 (a, b y c) se muestra la representacin de secuencia positiva, negativa

y cero, por medio de fasores con sus respectivos ngulos de desfasamiento. En 2.4 (d)

se observa un grupo de fasores desbalanceados a partir de sus respectivas

componentes simtricas.

Figura 2.4 a) Componentes de secuencia positiva (a b c) b) Componentes de secuencia negativa (acb). c) Componentes de secuencia cero.

Vc1 = a Va1 Va1

Vb1 = a2 Va1

a)

Vb2 = a Va2

b) Va2

Vc2 = a2 Va2

Va0

Vb0 = Va0

Vc0 = Va0

c)


14

Figura 2.4 d) Factores desbalanceados obtenidos a partir de sus componentes simtricas.

De acuerdo a lo anterior se tiene las siguientes ecuaciones para tensiones y corrientes

de secuencia:

Va=Va1 + Va2 + Va0...........Ia=Ia1 + Ia2 + Ia0(2.1)

Vb=Vb1 + Vb2 + Vb0.........Ib=Ib1 + Ib2 + Ib0...............(2.2)

Vc=Vc1 + Vc2 + Vc0....Ic=Ic1 + Ic2 + Ic0(2.3)

En las ecuaciones anteriores, se hace uso del operador a, el cual presenta las

siguientes caractersticas.

El operador a es un numero complejo de magnitud 1 y angulo de 2/3 rad, y de

acuerdo a la figura 2.5, se obtienen los valores de a2 y a3 que se muestran a

continuacin:

a= 1 120 a2= 1240= 1-120

a3= 10

La suma de estos vectores:

a= -0.5 + j0.866

a2= -0.5 - j0.866

a3= 1.0 + j0

a + a2 + 1 = 0.......................................... (2.4)

Vc2

Vc1

Va

Va1

Vb1Vb

Vc0

Vc

d)


15

Figura 2.5 Esquema para determinar el operador a

Aplicando el operador a en las ecuaciones (2.1), (2.2) y (2.3), se tiene lo siguiente:

Va = Va0 + Va1 + Va2Ia=Ia0 + Ia1 + Ia2.............(2.5)

Vb = Va0 + a2Va1 + aVa2..Ib=Ia0 + a

2Ia1 + aIa2... (2.6)

Vc = Va0 + aVa1 + a2Va2.Ic=Ia0 +aIa1 +a

2Ia2....(2.7)

La forma matricial para calcular tensiones y corrientes de fase, se representa como:

De las componentes (2.5), (2.6) y (2.7), resulta la ecuacin siguiente:

(Va + Vb + Vc) = 3Va0 + Va1(1+a+a2) + Va2(1+a+a

2)

Por lo tanto:

Va0 =

(Va + Vb + Vc) ..(2.8)

a

1

a2

-0.5

120

120

0.866

0.866

120


16

La matriz para calcular tensiones y corrientes de secuencia es:

2.5.1 Clculo de corto circuito empleando componentes simtricas Falla Trifsica

(a) (b)

Figura.2.6 a) Diagramas de secuencia. b) Representacin de falla trifsica.

Aunque en la figura 2.6 (a) se muestran los tres diagramas de secuencia y las tres

fases involucradas en la falla (b), al momento de resolver la matriz correspondiente y

obtener las ecuaciones para determinar los valores de corriente, el nico valor que

existe es la corriente de secuencia positiva.

Condiciones iniciales.

Va = Vb = Vc = 0 .........................(2.9)

Ia + Ib + Ic = 0 .............................(2.10)

Z1

Ia1

Z0Z2

Ia0

Z2

Ia2

b

c


17

Aplicando componentes simtricas

Para tensiones:

Y para corrientes

Ia0 =

(Ia + Ib + Ic) = 0 ......................(2.11)

Ia1 =

(Ia + aIb + a2Ic) =

(Ia + Ia + Ia) = Ia ..(2.12)

Ia2 =

(Ia + a2Ib + aIc) =

(Ia + Ib + Ic) = 0 ..(2.13)

Por lo tanto, el nico valor que se puede calcular es la corriente de secuencia positiva:

Ia1 =

= Ia .........................................................(2.14)


18

2.5.1.1 Ejemplo usando componentes simtricas.

De acuerdo al diagrama unifilar de la figura 2.7:

Calcular la corriente de falla trifsica en el bus con falla.

Figura 2.7. Diagrama unifilar

Se divide el sistema en tantas zonas como niveles de tensin existan, es decir, cada

transformador es frontera de dos zonas (figura 2.8).


19

Figura 2.8 Divisin del sistema en zonas

Se elige una potencia base para todo el sistema de 100 MVA. Por lo regular se toma

como base la potencia ms alta. Tambin se toma una tensin base de 110 KV. La

potencia base, se transfiere sin cambio a las dems zonas, la tensin base se

transfiere a las zonas. A continuacin se muestran las ecuaciones a utilizar para

transferir esta tensin y para calcular la corriente e impedancia base en las zonas.

=

(A) ..(2.15)

=

...(2.16)

..............................................(2.17)

Con los datos proporcionados en el diagrama y la potencia base, se hacen los clculos

correspondientes para cada zona. Los resultados son los siguientes:


20

Tabla 2.1 Resultados de transferencia a valores base

ZONA

VALORES BASE

MVAB KVB IB (A) ZB ()

1 100 110 524.8636 121

2 100 13.8 4183.6976 1.9044

3 100 13.8 4183.6976 1.9044

4 100 22 2624.3194 4.84

5 100 13.2 4373.8656 1.7424

Si las impedancias de equipos estn dadas en valores p.u. se realiza el cambio de

bases con bases de transferencia. Para esto se utiliza la ecuacin:

(2.18)

Haciendo los clculos correspondientes, los valores de reactancias son:

Transformadores 1,2,3,4

= j0.800 ,

= j0.3333 ,

= j0.5509 ,

= j0.0666

Lnea 1

Lnea 2

= j0.2314 ,

= j0.4958

= j0.0826 ,

= j0.2892

Lnea 3

Lnea 4

= j0.1487 ,

= j0.4297

= j0.3305 ,

= j0.9917

Generador 1

Generador 2

= j0.9149 ,

= j0.3659

= j0.5489 ,

= j0.3293

Generador 3

= j1.4573 ,

= j0.7286


21

Con los valores de reactancias obtenidos, se procede a descomponer el diagrama

original en diagramas de reactancias de secuencia positiva, negativa y cero. (figuras

2.9a, 2.9b y 2.12a respectivamente). Para simplificar el clculo de corriente de corto

circuito, se debe realizar la reduccin de estos diagramas para obtener el equivalente

Thevenin de cada secuencia (figuras 2.10, 2.11 y 2.12c, tambin respectivamente)

(a) (b)

Figura 2.9 Diagramas de reactancias a) Diagrama de secuencia positiva; b) Diagrama de

secuencia negativa

Simplificando redes a modelo Thevenin

Figura 2.10 Reduccin de diagrama de secuencia positiva a modelo Thevenin


22

Figura 2.11 Reduccin de diagrama de secuencia negativa a modelo Thevenin

(a) (b)

Figura 2.12 a) Diagrama de reactancias de secuencia cero; b) Reduccin de diagrama de

secuencia cero a modelo Thevenin.


23

Con esta simplificacin de redes se obtiene las impedancias equivalentes de

secuencia (XTH) la cual realizando los clculos correspondientes tomando como nodo

de referencia el punto de falla (en este caso nodo 3), son:

SEC (+) j0.5515

SEC (-) j0.5515

SEC (0) j0.2287

El bus 3 pertenece a la zona 1, en donde:

MVAB = 100

KVB = 110

IB = 524.8638 A

ZB = 121

En este ejemplo se quiere conocer la falla trifsica, que como se menciono

anteriormente se calcula por medio de:

.................(2.19)

Sustituyendo:

Para conocer su valor en Amps.

....................(2.20)

Sustituyendo:

-90 A


24

CAPTULO 3. SISTEMAS DE PROTECCIN

3.1 INTRODUCCIN

El Instituto de Ingenieros Elctricos y Electrnicos (IEEE) define un relevador como

'un dispositivo electrnico que est diseado para responder a las condiciones de

entrada en una manera prescrita y, una vez que se cumplan determinadas

condiciones, este provocara el funcionamiento de contactos o un cambio brusco en el

control de los circuitos elctricos asociados''. Una nota agrega: ''Las entradas suelen

ser elctricas, pero podrn ser mecnicas, trmicas, u otras cantidades o de una

combinacin de cantidades. Interruptores de lmite y similares no son simples

dispositivos de proteccin'' (IEEE C37.90).

Este estudio se centra en una de las ms interesantes y sofisticadas aplicaciones de

relevadores, la proteccin de los sistemas elctricos de potencia. El IEEE define un

relevador de proteccin como un dispositivo, cuya funcin es detectar fallas de lneas

o de aparatos o de otro sistema de potencia en condiciones anormales o de una

peligrosa situacin, debida a la naturaleza y para iniciar las medidas correspondientes

de control del circuito (IEEE 100).

Los fusibles se utilizan tambin en la proteccin. La IEEE define como fusible a un

dispositivo de proteccin en el cual al existir un exceso de corriente a travs del

circuito de apertura de los fusibles este se calienta debido a la sobrecorriente y se

produce una ruptura para interrumpir el flujo (IEEE 100).

Por lo tanto, los relevadores de proteccin y sus equipos asociados, estos se

renombran a menudo simplemente como sistemas de proteccin y son utilizados en

todas las partes del sistema de potencia, junto con los fusibles, para la deteccin de

condiciones intolerables, la mayora de las veces, las fallas.

Un objetivo primordial de todos los sistemas de potencia es el de mantener un nivel

alto de continuidad del servicio, adems de reducir al mnimo la magnitud de falla y el

tiempo de corte de energa cuando se presentan condiciones intolerables. Sin

embargo, las prdidas de potencia, cadas de tensin y sobretensiones se producirn,

porque es imposible evitar las consecuencias de fenmenos naturales, accidentes

fsicos, alteraciones del equipo, o mal funcionamiento debido a un error humano.

Muchos de estos resultados de fallas son: involuntarios, por conexiones accidentales y

arqueo entre cables de fase o entre cables de fase a tierra.


25

Los eventos naturales que pueden causar cortocircuitos (fallas) son los rayos (tensin

inducida o corriente de falla), el viento, el hielo, terremotos, incendios, explosiones,

cada de rboles, objetos en vuelo, el contacto fsico por parte de los animales, y la

contaminacin. En los accidentes se incluyen fallas resultantes debido al choque de

vehculos contra postes, contacto desafortunado de personas con el equipo, contacto

con los cables subterrneos al realizar una excavacin, los errores humanos, y as

sucesivamente. Se ha hecho un considerable esfuerzo para minimizar las

posibilidades de daos, pero la eliminacin de todos esos problemas es an difcil de

lograrlo.

La mayora de las fallas en un sistema elctrico con una red de lneas areas son las

de fase a tierra, las cuales se derivan principalmente de los transitorios de alto voltaje

inducidos debido a descargas y de cada de rboles y ramas de rboles. El hielo, la

congelacin debido a la nieve y el viento que se presentan durante las tormentas

pueden causar muchos errores y mucho dao. Estas fallas tienen un porcentaje

aproximado de posibilidad de aparicin de la siguiente forma [1]:

Monofsica (Fase a tierra): 70% -80%

Monofsica (Fase a fase-a tierra): 17% -10%

Monofsica (Fase a fase): 10% -8%

Trifsica: 3% -2%

Una serie de desbalances, tal como la rotura de conductor o un fusible fundido, no son

demasiado comunes, excepto quizs en un sistema de ms baja de tensin, en el cual

se usan los fusibles para proteccin.

La ocurrencia de fallas puede ser muy variable, dependiendo del tipo de sistema de

potencia (por ejemplo, lneas areas o subterrneas) y la naturaleza del lugar o

condiciones climticas

En muchos casos, el arqueo, causado por estos eventos no produce daos

permanentes si el circuito se interrumpe rpidamente. Un mtodo comnmente

empleado es abrir el circuito de falla, permitir que se extinga de manera natural el arco,

y despus cerrar el circuito nuevamente. Generalmente, esto mejora la continuidad en

el servicio y solo causa una cada de tensin y corte de energa momentnea.

Regularmente, el corte de energa solo dura de 0.5 a 1 o 2 minutos, lo cual es

preferible a varios minutos y horas.


26

Usualmente, pero no siempre, las fallas en el sistema ofrecen cambios significativos

en magnitudes, las cuales pueden utilizarse para distinguir entre condiciones

tolerables e intolerables del sistema. Estos cambios en las cantidades incluyen

sobrecorrientes, sobre o baja tensin, factor de potencia o ngulo de fase, direccin de

la corriente o potencia, impedancia, frecuencia, temperatura, movimientos fsicos, la

presin, y la cantidad de contaminacin en el aislamiento. El indicador ms comn de

falla es un repentino y significante incremento en la corriente; por consiguiente, la

proteccin de sobrecorriente es ampliamente usada.

La proteccin es la ciencia, la habilidad y el arte de aplicacin y ajuste de relevadores

y fusibles, o ambos, para proporcionar la mxima sensibilidad a las fallas y

condiciones indeseables, pero evitando su operacin ante fallas que sean permisibles

y tolerables.

Es importante reconocer que el margen de tiempo de decisin en la proteccin del

sistema de potencia es muy estrecho, y cuando se producen fallas, una etapa de

verificacin o un procedimiento para tomar una decisin por parte del dispositivo de

proteccin que necesite tiempo adicional, es una situacin indeseable. Es de vital

importancia (1) una decisin correcta por parte del dispositivo de proteccin para

determinar si el problema es intolerable y, por tanto, realizar una rpida accin, o si es

tolerable de tal manera que el sistema lo pueda soportar, y (2) si es necesario, que el

dispositivo de proteccin opere para aislar el rea en problemas rpidamente y con

una mnima distorsin del sistema. Este problema debido al tiempo, podra ser, sino es

que ya lo es, asociado a un alto ruido extrao, el cual no debe engaar al

dispositivo o provocar un funcionamiento incorrecto.

Tanto la falta de funcionamiento y un funcionamiento incorrecto puede producir

grandes distorsiones en un sistema que impliquen una mayor dao al equipo, riesgo

al personal de mantenimiento, y la posible interrupcin prolongada de continuidad del

servicio. Una de las ventajas de los relevadores modernos, (microprocesadores) es

que pueden monitorear y controlar por ellos mismos una falla para minimizar los daos

en los equipos, as como proporcionar informacin sobre los acontecimientos que

resultaron debido a su funcionamiento.

Para minimizar las posibles fallas que pueden ocasionar problemas en el sistema de

potencia debido a la mala operacin de la proteccin, la prctica consiste en utilizar

varios relevadores o sistemas de proteccin que funcionen en paralelo. Estos pueden

ubicarse en el mismo lugar (respaldo primario), en la misma subestacin (respaldo


27

local), o en diferentes subestaciones remotas (respaldo remoto).Los tres se usan en

muchas aplicaciones. En sistemas de potencia de alta tensin este concepto se ampla

con la adaptacin por separado o a la vez de dispositivos de medicin de corriente o

tensin, bobinas individuales en los interruptores y fuentes de alimentacin para

disparo tambin de manera individual.

Los diferentes dispositivos de proteccin deben estar adecuadamente coordinados de

tal manera que los relevadores primarios asignados para operar a la primera seal de

falla en su respectiva zona de proteccin, operen en primer lugar. En caso de que

estos fallen, los diferentes sistemas de respaldo deben estar disponibles y ser capaces

de operar para controlar la falla. Es muy importante contar con un sistema de

proteccin altamente redundante y disponible para el respaldo. La redundancia

excesiva, sin embargo, tiene un impacto negativo en la seguridad. A medida que se

aaden mas sistemas buscando mejorar la confiabilidad, se tendr una mayor

probabilidad de operaciones incorrectas. Se debe contar con un buen criterio para la

aplicacin de sistemas de relevadores con el fin de optimizar el equilibrio entre la

confiabilidad y la seguridad. El equilibrio ptimo variar, en funcin de las

caractersticas y objetivos de cada aplicacin especifica.

3.2 PRINCIPALES ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE PROTECCIN 3.2.1 Transformadores de instrumento. Se denominan transformadores de instrumento o de medicin, o los que se emplean

para alimentar los dispositivos de proteccin, especficamente los relevadores, el uso

de estos transformadores se hace necesario en las redes de alta tensin en donde se

requiere reducir los valores de tensin y corriente de modo que puedan ser admisibles

en los dispositivos de proteccin, por razones de seguridad y comodidad.

Los objetivos fundamentales que tienen los transformadores de instrumento son:

Aislar los dispositivos de proteccin del devanado primario o secundario,

permitiendo as medir las altas tensiones y corrientes utilizando instrumentos

de bajo alcance.

Proporcionar mayor seguridad al personal, ya que lo protege contra los valores

altos de tensin.


28

Permitir la normalizacin de las caractersticas de operacin de los

instrumentos.

Existen dos tipos de transformadores de instrumento, los transformadores de potencial

(TPs) y los transformadores de corriente (TCs).

Una diferencia importante entre estos dos elementos, es que un transformador de

corriente est relacionado de manera ms directa al cortocircuito (por lo que si al

interrumpir de manera accidental el circuito secundario, el valor de la tensin se

elevara demasiado, siendo esto peligroso); por otra parte, el transformador de

potencial funciona prcticamente en vacio (en este caso, un cortocircuito en el lado

secundario resultara en un valor de corriente demasiado elevado, de igual manera

muy peligroso). A continuacin se da una definicin ms clara de estos elementos.

3.2.1.1 Transformadores de corriente (TCs)

Un transformador de corriente es aquel en el cual el devanado primario se encuentra

en serie con el circuito al cual se quiere medir el valor de corriente: sobre el devanado

secundario se conectan en serie los instrumentos de medicin (amprmetro), los

cuales deben tener un valor bajo de impedancia para mantener al transformador en

condiciones cercanas al cortocircuito.

Para que el transformador indique exactamente el valor de corriente que circula en el

circuito primario, la relacin de corriente (CT ratio, por sus siglas en ingles) entre el

primario y el secundario, se debe de mantener casi constante al variar la carga, con el

fin de reducir al mnimo la corriente magnetizante.

................(3.1)

Donde: Ip = Corriente en el devanado primario

Is = Corriente en el devanado secundario

Con el fin de facilitar los clculos para determinar la corriente que circula en el circuito

primario (para estimar en el ajuste de operacin del relevador), se ha normalizado la

corriente nominal secundaria en un valor de 5 A [5].


29

Los valores de corriente nominal deben ser un dato proporcionado en la placa del

transformador, o en caso de usar un software se debe mostrar en los parmetros pre-

establecidos, y se expresa de la siguiente forma: 500/5 A, 200/5 A, 100/5 A, etc. El

primer valor corresponde a la corriente en el primario, y la segunda al valor del

secundario. En la figura 3.1 se muestran algunos smbolos bsicos para representar a

los TCs.

FIGURA 3.1 Representacin de transformadores de corriente [5]

Algunos valores normalizados de relaciones de transformacin se muestran en la

siguiente tabla [5]:

Tabla 3.1

Relacin de transformacin

normalizadas

5/5 300/5 10/5 400/5 15/5 500/5 20/5 600/5 25/5 800/5 30/5 1000/5 40/5 1200/5 50/5 1500/5 75/5 1600/5 100/5 2000/5 150/5 2500/5 200/5 3000/5 250/5

A

I

A

Is

A

Ip

Is

Sp


30

3.2.1.2 Transformadores de potencial (TPs) El transformador de potencial es un transformador de tensin donde el circuito primario

se conecta en derivacin (paralelo) con el circuito, para el cual se desea conocer la

tensin. En el circuito secundario se conectan los instrumentos de medicin

(vltmetro).

Debido a que estos transformadores deben detectar exactamente el valor de la tensin

presente en el primario, es necesario que la relacin entre las tensiones primaria y

secundaria se mantenga constante, esto es, que debe limitarse tanto como sea posible

la cada de tensin en los dos devanados. En tales condiciones, se cumple la relacin

de transformacin (PT ratio, por sus siglas en ingles):

.......................(3.2)

Donde: PT ratio = Relacin de transformacin del transformador de potencial Vp = Tensin primaria Vs = Tensin secundaria

Los TPs tienen devanados primarios que pueden ser conectados directamente al

sistema de potencia (TPs) o bien a travs de la seccin de un banco de capacitores

conectado entre fase y tierra (TPCCs, Transformador de Potencial con Conjunto de

Capacitores). Esto se muestra esquemticamente en la figura 3.2.

Los TPs se usan con todos los valores de tensin existentes en el sistema de potencia

y comnmente se conectan al bus. En un valor aproximadamente de 115 Kv, los

TPCCs son ms convenientes de utilizar ya que generalmente son ms econmicos

que los TPs para altos niveles de tensin. Usualmente, los TPCCs se conectan a la

lnea, en lugar del bus, ya que el conjunto de capacitores puede ser usado como un

conjunto de radio frecuencias en la lnea para el uso de proteccin piloto.


31

FIGURA 3.2 Fuentes tpicas de tensin para relevadores. (a) tensin secundaria de fase a tierra con tres TPs de doble devanado secundario conectados de fase a tierra; (b) tensin de fase secundaria con dos TPs de devanado secundario simple conectados en delta abierta; (c) tensin secundaria fase a tierra con tres TPCCs conectados de fase a tierra. [Solamente se muestra una fase, las fases b y c se duplican con los secundarios conectados tal como se ven en (a).] [1]

El transformador de potencial ofrece una excelente funcin de transformacin de

tensin primaria, transitorios y estado estacionario, para funciones de proteccin. La

saturacin no es un problema debido a que los sistemas de potencia no deberan

operar por encima de la tensin nominal o fallas que resulten de un colapso o

reduccin de tensin. Ambos tipos (TPs y TPCCs) tienen amplia capacidad y son

dispositivos altamente confiables.

3.2.2 Interruptores

El interruptor es un dispositivo de desconexin el cual, de acuerdo con las normas,

est definido como un dispositivo capaz de conectar, conducir e interrumpir corrientes

bajo condiciones normales y tambin conectar y conducir corrientes por tiempo

determinado e interrumpirlas bajo condiciones anormales, tales como corrientes de

corto circuito.

3.2.3 Relevadores

Este es un dispositivo el cual puede ser activado o puede iniciar su operacin al recibir

una seal de entrada, ya sea de tensin, corriente o ambas. Cuando opera, asla las

condiciones anormales que se presentan en el sistema elctrico. Este elemento consta

bsicamente de dos partes principales: la bobina que recibe la seal y los contactos,

los cuales se activan al energizarse la bobina. En el captulo 4 de este trabajo se da


32

una explicacin ms a fondo de este dispositivo, el cual es la parte fundamental de

este estudio.

3.2.4 Banco de bateras

Las bateras son el equipo que, en un sistema de proteccin, tienen la funcin de

proporcionar alimentacin al circuito de disparo, enviando a travs de los contactos de

los relevadores la seal de disparo a la bobina de los interruptores. La alimentacin al

circuito de disparo se prefiere de corriente directa en vez de corriente alterna debido a

que esta alimentacin puede no ser de la adecuada magnitud durante un cortocircuito;

por ejemplo, cuando ocurre una falla trifsica puede resultar una tensin de corriente

alterna igual a cero para la alimentacin de los servicios, por lo que en estas

circunstancias la potencia requerida para el disparo no puede ser obtenida del sistema

de corriente alterna, con lo cual fallara el disparo.

La batera est conectada permanentemente a travs de un cargador-rectificador al

servicio de estacin de corriente alterna. El cargador tiene capacidad suficiente de

potencia aparente (VA) para proporcionar toda la carga en estado estable suministrada

por la batera [7].

3.3 CARACTERSTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIN

El objetivo bsico de un sistema de proteccin es aislar rpidamente la zona de falla

en el sistema de potencia, as el dao para el resto del sistema ser mnimo y tanto

como sea posible saldr intacto. Junto con este contexto, existen cinco caractersticas

de aplicacin de los relevadores de proteccin.

Antes de discutir estas, se debe saber que el uso de la proteccin no indica o implica

que el equipo de proteccin puede prevenir problemas, tal como fallas y equipo

daado, o choques elctricos debido a contactos inadvertidos de personas. Esto no

puede anticipar problemas. Los relevadores de proteccin actan solamente despus

de que una condicin anormal o intolerable ha ocurrido, con suficiente magnitud para

permitir su operacin. De este modo la proteccin no significa prevencin,

Sino ms bien, minimizar la duracin del problema y limitar el dao, tiempo de

desenergizacin, y problemas mencionados que podran resultar por otra parte.


33

Las cinco caractersticas bsicas son: 1. Confiabilidad: garanta de que la proteccin se ejecutara correctamente. 2. Selectividad: mxima continuidad del servicio con mnima desconexin del

sistema.

3. Velocidad de operacin: mnima duracin de falla y por consecuencia menos

equipo daado y sistema inestable.

4. Simplicidad: mnimo equipo de proteccin y circuitera asociada para cumplir

los objetivos de proteccin.

5. Econmico: mxima proteccin con un costo total mnimo.

Ya que estos son aspectos fundamentales de toda proteccin, se definen con ms

detalle.

3.3.1 Confiabilidad

La confiabilidad tiene dos aspectos, confianza y seguridad. La confianza se define

como el grado de certeza de que un relevador o sistema de proteccin operen

correctamente (IEEE C37.2). La seguridad se refiere al grado de certeza de que un

relevador o sistema de proteccin no opere incorrectamente (IEEE C37.2). En otras

palabras, la confianza indica la habilidad del sistema de proteccin para actuar

correctamente cuando se requiere, mientras que la seguridad es su habilidad para

evitar la operacin innecesaria durante el transcurso normal de operacin, y fallas o

problemas fuera del alcance de operacin que le fue designado. Existe regularmente

una mnima cantidad de transitorios tolerables que el sistema de potencia puede

operar exitosamente, y aquellos, tales como fallas por arqueo, que podran desarrollar

y provocar un mayor problema si no se asla rpidamente. Por esto, la proteccin debe

ser segura (no operar cuando se presenten transitorios tolerables), pero confiable

(operar con transitorios intolerables y fallas permanentes). Son estos requerimientos

complejos, junto con la especulacin del problema que se pueda presentar, cuando, y

donde, lo que hace que la proteccin del sistema de potencia sea la ms interesante

ciencia tcnica, combinada con arte.

La confianza es fcil de determinar por medio de una prueba al sistema de proteccin

para garantizar que operar tal como se espera cuando los lmites de operacin son

excedidos. La seguridad es ms difcil de efectuarse. Aqu puede haber casi una


34

variedad infinita de transitorios que podran alterar el sistema de proteccin, y la

predeterminacin de todas estas posibilidades es difcil o imposible de llevar a cabo

cada una de ellas.

Los fabricantes regularmente usan simulaciones del sistema de potencia, y algunas

veces pruebas de fallas reales en sistemas de potencia para verificar tanto confianza

como seguridad. La mejor respuesta prctica para la seguridad y confianza son los

conocimientos de los diseadores, basado en el campo de la experiencia. Por esto, las

instalaciones actuales en servicio cuentan con el mejor y ms sofisticado laboratorio.

Esto debera solamente asegurar la confiabilidad, y no ser bsicamente usado para el

desarrollo.

Como una generalidad, el mejoramiento de la seguridad tiende a disminuir la

confianza, y viceversa. Por ejemplo, el contacto mvil de un simple relevador, puede

representar una alta confianza, pero tiene la posibilidad de ser accidentalmente

cerrado por un transitorio no previsto o un error humano resultando en una operacin

indeseable. Para minimizar este posible problema, un segundo relevador, tal como un

detector de falla, puede ser usado con su contacto de operacin en serie dentro del

circuito de corriente de CD.

Por lo tanto, ambos contactos deben cerrar para el disparo del interruptor, el cual

deber activarse por condiciones intolerables o fallas. Esto ha incrementado la

seguridad, ya que es menos probable que transitorios extraos o problemas

provoquen la operacin de ambos relevadores simultneamente. Sin embargo, la

confianza ha sido disminuida, por esto ahora se requiere que los dos relevadores

operen correctamente. Este arreglo es usado, porque la confianza an es alta, a la vez

que la seguridad es mejorada.

La seguridad es muy importante (como lo es la fiabilidad), cuando los relevadores

estn conectados para toda su vida en el sistema de potencia como centinelas

silenciosos, a la espera de condiciones intolerables y experimentar todos los

transitorios y fallas externas que no estn en su zona de operacin. Por lo tanto, se

espera que no haya fallas o condiciones intolerables, esto es, no habr razn para que

los relevadores operen. Afortunadamente, existen relativamente unas cuantas fallas,

en promedio, en un sistema de potencia. Se estima que, en general, el tiempo de

operacin acumulativo (los instantes en que el relevador detecta y opera por una falla

interna) durante la vida de operacin, en promedio de un relevador es desde segundos


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a unos cuantos minutos, dependiendo de la velocidad del tipo de relevador en

particular. Esto contrasta dramticamente con una vida de aproximadamente unos 30

aos para algunos relevadores. Por lo tanto, los relevadores bsicamente no se

desgastan en si por las operaciones que llevan a cabo, sino ms bien, se desgastan

por las pruebas de mantenimiento y usos similares.

En general, las experiencias en los sistemas de potencia, grandes y pequeos e

industriales, indican que sus sistemas de proteccin tienen ms que un 99% de

confianza, lo que es de gran ayuda a la industria.

3.3.2 Selectividad. Los relevadores tienen un rea asignada conocida como zona de proteccin primaria,

pero podran correctamente operar respondiendo a condiciones fuera de esta zona,

esta es designada como zona de respaldo o de traslape.

La selectividad (tambin conocida como coordinacin de relevadores) es el proceso de

aplicacin y colocacin de relevadores de proteccin para que respalden a otros

relevadores, de tal manera que operan tan pronto como sea posible dentro de su zona

primaria, solo al tener retraso de operacin en su zona de respaldo. Esto es necesario

para permitir que los elementos primarios asignados a esta rea de respaldo o

traslape tengan tiempo para operar. Por otra parte, ambos grupos de relevadores

podran operar por fallas en esta rea de traslape; los relevadores primarios asignados

para el rea y los de respaldo. La operacin de la proteccin de respaldo es incorrecta

e indeseable a menos que la proteccin primaria de esa rea falle, al aislar la falla.

Consecuentemente, la selectividad o coordinacin del relevador es importante para

garantizar una mxima continuidad de servicio con una mnima desconexin del

sistema.

3.3.3 Velocidad Obviamente, se desea que la proteccin asle una zona con falla tan rpido como sea

posible. En algunas aplicaciones esto no tiene dificultad, pero en otras, particularmente

donde la selectividad est envuelta, una operacin ms rpida puede generar una

operacin ms compleja y un mayor costo de proteccin. El tiempo-cero o gran

velocidad de proteccin, a pesar de ser lo esperado, podra derivar una gran cantidad

de operaciones indeseables. Como conclusin, entre ms rpida sea la operacin,

ms alta es la probabilidad de una operacin incorrecta.


36

El tiempo, generalmente de un valor muy pequeo, sigue siendo uno de los mejores

indicadores de distincin entre transitorios tolerables e intolerables.

Un relevador de alta velocidad es el que opera en menos de 24 ms (1 ciclos en una

base de 60 Hz) (IEEE 100). El trmino instantneo quiere decir que no hay retraso (de

tiempo) y esto es introducido a propsito en el accionar del dispositivo (IEEE 100). En

la prctica, los trminos instantneo y alta-velocidad son usados aleatoriamente para

describir los relevadores de proteccin que operan en 24 ms o menos [1].

Los interruptores modernos de alta-velocidad operan en el rango de 17-50 ms (uno a

tres ciclos en 60 Hz); otros operan en menos de 83 ms (cinco ciclos en 60 Hz). De esta

manera, el tiempo total entre ambos (relevadores con interruptores) se encuentra en

promedio aproximadamente en 35-130 ms (dos a ocho ciclos en 60 Hz) [1].

En sistemas de baja tensin, en los cuales la coordinacin del tiempo es requerida

entre relevadores de proteccin, los tiempos de operacin del relevador generalmente

sern ms lentos; tpicamente en el orden de 0.2-1.5s para la zona primaria. Los

tiempos en la zona primaria del relevador ms all de 1.5-2.0s son inusuales para las

fallas en esta zona, pero son posibles y existen. Por esto, la velocidad es importante,

pero no siempre es absolutamente requerida, ni tampoco es siempre prctica para

obtener una alta-velocidad sin tener en cuenta costo y complejidad, lo cual podra no

ser justificado.

La velocidad del relevador es especialmente importante cuando la instalacin

protegida se encuentra dentro de una zona sensible de estabilidad del sistema de

potencia. Un aislamiento ms rpido de la falla reduce la capacidad de que los

generadores puedan acelerarse durante este problema, y adems, mejora los

mrgenes de estabilidad. Los diseos de relevadores microprocesadores modernos,

sin embargo, incluyen procesadores y algoritmos que proporcionan altas velocidades

de operacin.

3.3.4 Simplicidad Un sistema de proteccin debe ser lo ms simple y sencillo como sea posible a la vez

que cumpla sus objetivos. Cada unidad o componente agregado, los cuales podran

ofrecer mejoramiento de la proteccin, pero no necesariamente bsico para los

requerimientos de proteccin, deber ser considerado muy cuidadosamente. Cada

adicin proporciona una fuente potencial de problemas y adems de mantenimiento.

Como se ha mencionado, una operacin incorrecta o indisponibilidad de la proteccin


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puede provocar problemas catastrficos en el sistema de potencia. Los problemas en

el sistema de proteccin pueden afectar gravemente a la red en general,

probablemente ms que cualquier otro componente del sistema electrico.

3.3.5 Economa Es fundamental obtener la mxima proteccin por un mnimo costo, y el costo es

siempre el principal factor. El precio ms bajo del costo-inicial del sistema de

proteccin podra no ser el ms confiable; adems, podra involucrar mayores

dificultades en instalacin y operacin, as como costos de mantenimiento ms altos.

Los costos de proteccin deben ser evaluados claramente en los costos ms altos del

equipo que estn protegiendo, y el costo de un dao o prdida de equipo protegido a

travs de proteccin impropia. Ahorrar para reducir los costos inciales puede resultar

en un gasto mayor en muchas ocasiones, ya que este ahorro se tendr que utilizar

para reparar equipo daado o perdido a causa de una proteccin inadecuada.

3.4 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL SISTEMA DE PROTECCIN Existen cuatro principales factores que influyen en la proteccin por relevadores:

1. Econmicos.

2. Personalidad del ingeniero de sistemas de relevadores y las caractersticas

del sistema de potencia.

3. Ubicacin y disponibilidad de dispositivos de desconexin y aislamiento

[interruptores y dispositivos de entrada o medicin (TCs y TPs)].

4. Disponibilidad de indicadores de falla (estudios de problemas a causa de estos)

3.4.1 Econmicos

Los factores econmicos han sido explicados anteriormente debido a su importancia.

Afortunadamente, las fallas y problemas son relativamente poco frecuentes, por esto

es fcil decidir no gastar dinero en proteccin porque no ha habido ningn problema.

Ciertamente, en la ingeniera de proteccin se espera que nunca sea necesaria la

operacin de la proteccin, pero cuando los problemas se presentan, la proteccin es

vital para la vida del sistema. Una simple falla durante la cual la proteccin asle

rpidamente y correctamente la zona del problema, tendr una disminucin en el

tiempo de corte y reduccin de dao al equipo, lo cual es una poderosa razn para

pagar por la proteccin requerida.


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3.4.2 Factor de personalidad

Que, cuando, y donde ocurrir una condicin intolerable en el sistema es impredecible.

El nmero de posibilidades de que exista es infinito. Consecuentemente, el ingeniero

debe disear el sistema de proteccin para la mayora de estos probables eventos,

basndose en experiencias pasadas, prever posibilidades que parezcan ocurran con

mayor frecuencia, y las recomendaciones de fabricantes del equipo bien sustentadas

en un buen anlisis prctico. Esto es lo que hace de la proteccin un arte, as como

una ciencia tcnica. Debido a las personalidades de los ingenieros de proteccin, as

como las del sistema de potencia que se refleja en la administracin, las

consideraciones de operacin, y el desarrollo histrico, son diferentes, y de este modo

es la proteccin adecuada lo que resulta. Aunque existe mucha tecnologa en comn,

los sistemas y prcticas de proteccin estn lejos de estandarizarse. Por consiguiente,

la proteccin refleja la personalidad de los ingenieros y el sistema, haciendo de nueva

cuenta ms interesante el arte y la prctica del sistema de proteccin.

3.4.3 Ubicacin de dispositivos de entrada (relevadores) y desconexin (interruptores)

La proteccin puede ser aplicada solamente donde existan interruptores o dispositivos

similares para llevar a cabo el aislamiento de la zona en problemas y donde los TCs y

TPs, cuando sean requeridos, sean capaces de proporcionar informacin acerca de

las fallas y problemas en el sistema de potencia. Una estrecha cooperacin entre

planificadores del sistema e ingenieros de proteccin es importante para facilitar la

ptima ejecucin y operacin del sistema de proteccin.

3.4.4 Disponibilidad de indicadores de falla

Los problemas, fallas, y condiciones intolerables deben mostrar una notable diferencia

de la operacin normal o condiciones tolerables. Algunas seales o cambi

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