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8/17/2019 Apuntes de Protecciones Electricas Moderna
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UNIVERSIDAD POLITECNICA DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA
ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA
TEMA: CONCEPTOS DE PROTECCIONES ELECTRICASTELE PROTECCIONES
INDICE
Introducción……………………………………………………… ..……..3
Sistemas de tele protección…………………………………….………4
Protección de los sistemas de potencia……………………..….……13
Trasformadores de corriente y tensión…………………….…..…….24
Protección de barras………………………………………….………..27
Conclusiones……………………………………………… ……..……42
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INTRODUCCION
El presente reporte es un resumen de los manuales de sistemas de
teleproteccion, protección diferencial de barras, clases de generación y
transporte de energía, se presentan para cada tema su teoría básica
acompañada de gráficas y cuadros para ilustrar mejor los temas, se registran
las características de los sistemas de protección, la confiabilidad de los
sistemas, la velocidad de actuación de la protección, la disponibilidad y el tipo
de respaldo, se muestran las configuraciones posibles, en la parte de los
sistemas de potencia se muestran las causas y tipos de fallas, se listan los
códigos Ansi aplicados a protecciones de sistemas de potencia, se detallan las
configuraciones básicas y por último se agregan las conclusiones del estudio
de cada tema que se presentan al final del reporte.
SISTEMAS DE TELEPROTECCION
Un sistema de teleproteccion se puede representar como se muestra a
continuación:
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Donde:
R1, R2, R3, R4, R5: relés de protecciónB1, B2, B3, B4, B5: interruptores
F: falla en la línea
Como ilustración de éste concepto, en condiciones normales de operación, la
falla F debe ser despejada por los relés R1 y R2 por intermedio de los
interruptores B1 y B2. Si R2 no opera para esta falla, el relé pierde
confiabilidad. Pero si el relé R5 opera haciendo abrir el interruptor B5 para la
misma falla antes de que el interruptor B2 la aclare, entonces R5 perdió
confiabilidad por una pérdida de seguridad.
CARACTERISTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIONUn Sistema de Teleprotección altamente selectivo requiere cumplir con las
siguientes características para poder alcanzar su objetivo:
CONFIABILIDAD Y SEGURIDAD
Estas características se refieren a la facultad del sistema de cumplir la
función comisionada sin errores en el tiempo establecido.
Para que un sistema de teleprotección sea confiable y seguro, los equipos
de teleprotección deben ser diseñados de tal modo que no operen
incorrectamente habiendo o no falla o condición anormal en la red de alto
voltaje. En tal sentido se debe asegurar que los comandos transmitidos
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sean los mismos que se reciben en el otro extremo de la línea de alta
tensión. Por ejemplo, de existir ruido en el sistema de comunicaciones, el
procesamiento de los comandos de teleprotección debe ser tal que no
permita que el ruido se interprete como señales que puedan ocasionar la
recepción de un comando producido por ruido y no por falla detectada por
los relés de protección de la línea.
Asimismo, del lado de los equipos de protecciones, para conseguir
confiabilidad y seguridad se debería asegurar que:
- No existan errores de medición ocasionados por los
transformadores de corriente y tensión de medida.
- No existan pérdidas en el canal de comunicaciones
SELECTIVIDAD
Es la habilidad de localizar la falla y aislar únicamente la parte afectada, de
modo que protege la porción del sistema que sale de servicio. Cuando
ocurre una falla, se debe despejar por los relés asociados a esta anomalía,
evitando la salida de partes del sistema que no tengan relación con esta
falla.
VELOCIDAD
Consiste en la facultad de accionar los equipos necesarios para aislar la
parte afectada en la línea en el menor tiempo posible si se produjese una
falla. Para esto, el tiempo de transmisión de un comando de teleproteccióndesde que el comando es recibido por el equipo de teleprotección, es
procesado, transmitido, recibido por el equipo de teleprotección en el otro
extremo de la línea y enviado al relé de protección final debe ser de 2 a 65
ms según norma IEC 60834 (ver la siguiente figura).
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DISPONIBILIDAD
Es la propiedad de tener disponible el medio de comunicaciones durante el
tiempo convenido para que los equipos de protección del sistema de
teleprotección puedan comunicarse de ocurrir una falla en el sistema. En tal
sentido, debe contarse con un sistema que tenga una disponibilidad cercana
al 100%.
RESPALDO
Esta propiedad consiste en tener un sistema de respaldo en los siguientes
niveles:
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- Equipos de protección: Los equipos de protección de respaldo
deben instalarse con la finalidad de aislar la parte en falla de la
red de alta tensión en el caso de que los equipos de protección
principales fallaran en el intento.
- Canal de comunicaciones: Por más que existiese respaldo a
nivel de equipos de protecciones, si el medio de comunicaciones
fallase, no habría comunicación para los equipos de protección
principal y de respaldo. En tal sentido se tendría un sistema de
teleprotección no confiable. Por tanto, se requiere un medio de
comunicaciones de respaldo que permita la comunicación de losequipos de protección en caso fallase el canal de comunicaciones
principal.
- Equipos de Teleprotección: Este nivel de respaldo consiste en
contar con dos (2) equipos de teleprotección por línea (dos a cada
extremo de la línea), uno que transmita por el canal de
comunicaciones principal y el otro por el canal de respaldo.
- Fuente de alimentación: Tanto los equipos de teleprotección y
protecciones principales y de respaldo deben contar con fuentes
de alimentación independientes. En la práctica, cada subestación
cuenta con un tablero de servicios auxiliares que proporciona
alimentación a todos los equipos de comunicaciones, por tanto,
bastaría con independizar los interruptores termomagnéticos que
posibilitan la alimentación a cada equipo (principal y respaldo) de
teleprotección y de protecciones.
CONFIGURACIONES POSIBLES
Existen diferentes tipos de configuraciones posibles para el Sistema de
Teleprotección a nivel de comunicaciones. La elección de un tipo de
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configuración en especial depende de la filosofía de teleprotección de cada
empresa en particular.
MEDIO DE TRANSMISIÓN ANÁLOGICO SIN RESPALDO
COMUNICACIÓN VIA CABLE COBRE 4 HILOS
COMUNICACIÓN VIA CABLE COBRE 2 HILOS
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COMUNICACIÓN VÍA EQUIPO DE ONDA PORTADORA
La comunicación entre el equipo de teleprotección y el equipo de
onda portadora es con cable de cobre a 4 hilos. (Ver la siguiente
figura).
La comunicación entre el equipo de teleprotección y el equipo de
onda portadora es con fibra óptica
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COMUNICACIÓN VIA EQUIPO DE ONDA PORTADORA
CON EQUIPO DE TELEPROTECCIÓN INTEGRADO
En esta configuración se utiliza un equipo de teleprotección integrado
en el equipo de onda portadora. En este caso no conviene tener los
equipos de Onda Portadora y Teleprotección con fuentes
independientes, ya que si ocurriese una falla en la alimentación del
equipo de Onda Portadora se perderá la conexión del enlace de los
equipos de teleprotección integrados independientemente de si el
equipo de teleprotección estuviese sin problemas de alimentación.
(Ver la siguiente figura).
MEDIO DE TRANSMISIÓN DIGITAL SIN RESPALDO
Una red digital de comunicaciones permite una mayor velocidad en la
transmisión
COMUNICACIONES VIA RED DIGITAL PDH O SDH
La configuración de un Sistema de Teleprotección que utiliza como
medio de comunicación una red digital PDH o SDH, pudiendo
transmitir a 64kbps vía protocolo X.21 o G703.1, así como también a
2Mbps vía protocolo G703.6
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Asimismo la comunicación entre el equipo de teleprotección y el
multiplexor PDH/SDH puede ser con cable de cobre o con cable de
fibra óptica (ver figura), dependiendo de la distancia de esta conexión
Enlace vía Red Digital PDH / SDH. Conexión entre equipo de
teleprotección y multiplexor que da acceso a la red PDH/SDH es con
cable de fibra óptica.
COMUNICACIONES VIA FIBRA ÓPTICA
Las comunicaciones vía fibra óptica para un Sistema de Teleprotección
permiten velocidades de transmisión de 64kbps y 2Mbps.
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MEDIO DE COMUNICACIONES CON RESPALDO
En las figuras que a continuación se muestran se observan las diferentes
configuraciones de un Sistema de Teleprotección con respaldo utilizandomedios diferentes de comunicación para el canal principal y el de
respaldo.
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PROTECCION DE LOS SISTEMAS DE POTENCIA
Todos los sistemas de potencia experimentan fallas
LA PROTECCION ES INSTALADA PARA: Detectar la ocurrencia de una falla y aislar el equipo fallado
Por lo que:
•Se limita el daño al equipo fallado •La interrupción de cargas adyacentes es minimizada, los daños en los
equipos no fallados es minimizado
PROTECCION = SEGURO CONTRA DAÑOS DE FUTURAS FALLAS
Riesgos
Daños en los equipos tales como:
Excesivo flujo de corriente (rotura de conductores, etc)
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Daños en bobinados Arcos que deterioran el aislamientoRiesgo de explosión
Daños a los equipos adyacentes
Perdida de carga (Cargas Mineras)Deterioro de equipos
Daños a las personas
Corrientes de Toque y PasoHumos tóxicos generados por quemadura de aislantesContacto eléctrico directo
Quemaduras, etc
Daños al sistema
Perdidas de sincronismo BlackOuts (Apagones)
EN RESUMEN
LA PROTECCION DEBE
-Detectar fallas y condiciones de operación anormales -Aislar el equipo fallado
Además
-Limitar el daño causado por la energía de la falla -Limitar el efecto enel resto del sistema.
CAUSAS Y TIPOS DE FALLAS
Descargas atmosféricas Vientos Hielo y nieve Objetos voladores Contaminación de aisladores Animales (Aves, ratas, etc)
Error Humano Árboles
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Edad de aislamiento Los dueños de lo ajeno
CAUSAS Y TIPOS DE FALLAS
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FACTORES QUE INFLUENCIAN EL DISEÑO DE LOS SISTEMASDE PROTECCION
EL TIPO DE FALLA, O TIPO DE CONDICION ANORMAL
• LAS CANTIDADES MEDIBLES (tensión, corriente, frec, etc)• EL TIPO DE PROTECCIÓN DISPONIBLE
• VELOCIDAD• LA DISCRIMINACION DE LA UBICACIÓN DE FALLA• LA DEPENDABILIDAD (DEPENDABILITY)• LA SEGURIDAD• TRASLAPO• LA DISCRIMINACION DE FASES Y SELECTIVIDAD• TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y TENSION• LOS SERVICIOS AUXILIARES• LA PROTECCION DE RESPALDO (REMOTO Ó LOCAL)• COSTO• DUPLICACION DE EQUIPOS DE PROTECCION
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TECNOLOGIA DE LOS RELES DE PROTECCION
ASPECTOS DEL SISTEMA DE PROTECCION
CONFIABILIDAD
VELOCIDAD
SELECTIVIDAD
SIMPLICIDAD
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ZONAS DE PROTECCION
¿DONDE ES LA FALLA?
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¿EN QUE FASE?
La protección debe detectar la fase falladacorrectamente:
Importante para aplicaciones de disparo Monofásico y recierre monofásico
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En el sistema se tiene relés direccionales Rx
Los interruptores están marcados como Bx Ocurre una falla F
Como resultado operan los relés R1, R2 y R4
¿Qué perdió el relé R4? Seguridad? Ó Dependabilidad?
El reléR4 perdió “seguridad”, actuó cuando no debía
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COSTO DE UN SISTEMA DE PROTECCION
QUE COSTOS SE DEBEN TOMAR EN CUENTA
- relés, paneles, cableado
- Estudios de coordinación
- Pruebas y puesta en servicio
- TCs y TTs
- Costos de Mantenimiento y reparación
- Costos de reparación ( si falla durante su
funcionamiento)
SISTEMAS DE DISTRIBUCION
- Gran número de puntos de distribución, transformadores alimentadores- Economía > Aspectos técnicos
- Protecciones mínimas
- Menos veloces que en sistemas de transmisión
- Protección de respaldo simple
- Aunque es importante, las consecuencias de una mala
operación o falla de operación es menos seria que en un
sistema de transmisión
SISTEMAS DE TRANSMISION Y GENERACION - Consideraciones técnicas > Económicas
- La economía no puede ser ignorada es de importancia
secundaria
- Altos costos de la protección se justifica por altos costos
de equipamiento
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- Se deben considerar la calidad de suministro
- Se deben usar respaldo para mayor confiabilidad
- Se debe usar disparos monofásicos y recierres para
mantener la estabilidad del sistema
TIPOS DE PROTECCION
FUSIBLES Usados en redes de bajo voltaje, alimentadores y transformadores
de distribución, TTs, servicios auxiliares.
EQUIPOS DE ACTUACION DIRECTA Reclosers, etc.
SOBRECORRIENTE DE FASES Y TIERRA Usado en todos los sistemas de potencia
Pueden ser direccionales ó no direccionales
Puede depender de la tensión
TIPOS DE PROTECCION DIFERENCIAL
Líneas de transmisión, barras, transformadores de potencia,generadores, etc.
- Alta impedancia
- Baja impedancia
- Por hilo piloto
- Digitales, etc DISTANCIA
Líneas de Transmisión y subtransmisión, alimentadoresComo respaldo de transformadores y generadores
COMPARACION DE FASE Y COMPARACION
DIRECCIONAL Líneas de transmisión
TIPOS DE PROTECCION OTROS
Mínima frecuencia,Sobrefrecuencia
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Mínima tensión
Sobretensión
Sobrecarga
Relé de recierre
Control de tomas bajo carga
Relés de disparo (86) y relés auxiliares
CLASES DE PROTECCION PROTECCIONES SISTEMICAS
- Esquemas de rechazo de Carga
- Esquemas de rechazo de generación
- Fasores sincronizados
CLASES DE PROTECCION PROTECCIONES SISTEMICAS - AGR (Esquema de rechazo de generación
CLASES DE PROTECCION
FASORES SINCRONIZADOS
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TRANSFORMADORES DE CORRIENTE Y TENSION
- Son parte esencial del esquema de protección, reducen las
corrientes y voltios primarios a niveles bajos adecuados para los
relés de protección.
- Estos deben ser especificados para mantener los requerimiento
de los equipos de protección
- La correcta conexión de los TCs y TTs es importante para losrelés de protección (direccional, distancia, comparación,
diferencial)
- Los transformadores de tensión pueden ser capacitivos ó
inductivos
- En Alta tensión se necesita TTs en las barras (sincronismo, etc)
- Nunca abrir un circuito secundario de un TC, por lo que nunca
se deben usar fusibles en los circuitos de corriente
- Los secundarios de los transformadores de tensión deben
protegerse con fusibles ó MCB
- Se deben usar borneras de pruebas (para ambos TC y TT),
permite realizar pruebas a los relés
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- Aterrar los circuitos secundarios de los TTs y CTs
SERVICIOS AUXILIARES
- Son requeridos para los circuitos de apertura y cierre de los interruptores
- En Baja tensión y media tensión existen servicios auxiliares de CA
- En alta tensión los servicios auxiliares son en CC.
- La corriente continua en Servicios auxiliares es más confiable
que la alterna (2 bancos de Baterías, 2 rectificadores).- Los circuitos de CC son inmunes a los efectos en alta tensión
CONTACTOS DE SALIDA
NO: Normalmente abiertos (cerrados cuando están energizados)
NC: Normalmente cerrados (cerrados cuando estándesenergizados)
CODIGOS ANSI
21: Relé de distancia
25: Relé de sincronismo
27: Relé de mínima tensión
30: anunciador
32: Relé direccional de potencia
37: Mínima potencia y mínima corriente
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46: relé de secuencia negativa
49: relé térmico
50: Relé de sobrecorriente instantáneo
51: Relé de sobrecorriente temporizado
50/51N : Relé de sobrecorriente de tierra (inst, temp)
50BF: Relé de falla interruptor
52: Interruptor
59: Sobretensión
60: relé de balance de tensión y corriente
64: Relé de falla a tierra (Tensión homopolar)
67/67N: Relé direccional de fases/tierra
79: Relé de recierre
81: Relé de frecuencia
85: Relé de envío y recepción
86: Relé de bloqueo y disparo
87: Relé diferencial
87T: Diferencial de transformador
87B: Diferencial de barra
87G: Diferencial de generador
87L: Diferencial de línea
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PROTECCION DE BARRAS
ELEMENTOS BASICOS DE UN SISTEMA MODERNO DE
ENERGIA ELECTRICA
BARRA SIMPLE
ADECUADA PARA INSTALACIONES PEQUEÑAS
PARA TRABAJOS DE MANTENIMIENTO DEBE SALIR DESERVICIO LA FUENTE DE ALIMENTACION
CON SECCIONADORES DE BARRAS SE PUEDEFLEXIBILIZAR
LAS TAREAS DE MANTENIMIENTO DE UNA PARTE DE LAINSTALACION
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MUY BUENA FACILIDAD PARA AMPLIACION DE LA INSTALA
PROTECCION DE BARRA SIMPLE
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PROTECCION DE DOBLE BARRA CON ACOPLAMIENTO
CONFIGURACION DE BARRAS EN SUB-ESTACIONES
DOBLE BARRA
USADA EN GRANDES INSTALACIONES LAS LABORES DE MANTENIMIENTO SE PUEDEN REALIZAR SIN INTERRUPCION DE LA
FUENTE DE ALIMENTACION LA SUBESTACION PUEDE OPERAR CON BARRAS SEPARADAS
BUENA FLEXIBILIDAD PARA ELMANTENIMIENTO BUENA FACILIDAD PARA AMPLIACION DE LA INSTALACIO
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DOBLE BARRA CON UN INTERRUPTOR (OPERACIÓN
NORMAL)
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DOBLE BARRA CON UN INTERRUPTOR (INT. F1FUERA DE SERVICIO)
BARRA EN ANILLO
USADA EN GRANDES INSTALACIONES
BUENA CONFIABILIDAD DE
SERVICIO
MUY BUENA FLEXIBILIDAD EN
EL MANTENIMIENTO
MUY BUENA FLEXIBILIDAD EN
LA OPERACIÓN
LA FACILIDAD PARA LA AMPLIACION DE LA INSTALACION
ES MUY COMPLICADA
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CONFIGURACION DE BARRAS EN ANILLO
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CONFIGURACION DE BARRAS EN ANILLO
(AMPLIACION CON UNA CELDA).
INTERRUPTOR 1½
USADA EN GRANDES INSTALACIONES
LAS FALLAS EN CUALQUIERADE LAS BARRAS NO OCASIONA
SALIDAS DE SERVICIO
MUY BUENA FLEXIBILIDAD ENEL MANTENIMIENTO
MUY BUENA FLEXIBILIDAD ENLA OPERACIÓN
MUY BUENA FACILIDAD PARALA AMPLIACION DE LA INSTALACION
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CONFIGURACION DE BARRAS EN INTERRUPTOR Y
MEDIO.
CONFIGURACION DE BARRAS EN INTERRUPTOR YMEDIO (AMPLIACION)
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CONFIGURACION DE BARRA PRINCIPAL Y
TRANSFERENCIA
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Sistemas de supervisión y control modernos
PROTECCION DIFERENCIAL DE BARRAS
LOS TRANSFORMADORES DE POTENCIA, BARRAS,GENERADORES Y ALGUNOSMOTORESDEGRANPOTENCIA USAN PROTECCION DIFERENCIAL COMOPROTECCION PRINCIPAL.
Una variedad de métodos se ha usado para implementarlos esquemas de protección diferencial de barras. Laintroducción de la tecnología digital ha permitido introducirconsiderables mejoras en las protecciones diferencialesde barras.
El crecimiento de las redes, especialmente en lo que ageneración se refiere, está ocasionando que los
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transformadores de corriente estén cada vez másexpuestos a la saturación por el incremento de los nivelesde corriente de cortocircuito.
La ley de Khirchoff establece que la suma de corrientes queingresan a un nodo determinado es igual a la suma decorrientes que salen del mencionado nodo. Consideremos doscondiciones de mostradas para la barra simple mostrada en la siguientefigura:
a. Falla externa o flujodecarga b. Falla interna
Protección de Barras 21PROTECCION DIFERENCIAL DE BARRAS –PRINCIPIO BASICO
Una protección diferencial de barras ideal aprovecha el principioque la suma de las corrientes es cero en caso de fallas externasy condiciones de flujos de potencia y que la sumatoria decorrientes es igual a la corriente de falla total para fallas
internas.
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Para el caso de una falla externa, las corrientes que salen de lasbarras son iguales a la suma de todas las corrientes queingresan a la barra, y la suma total es cero; esta situación esigual en condiciones de flujo de potencia normal. Por otro lado,para el caso de una falla interna, la suma de todas las corrientesque ingresan a la barra es igual a la corriente de falla total (lasuma total no es cero).
Desafortunadamente, en la práctica existen inconvenientes queno permiten conseguir una protección diferencial ideal, por loque deben seguirse ciertos pasos para asegurar que laprotección diferencial trabaje adecuadamente aún encondiciones no ideales.
PROTECCION DE BARRAS – DIFERENCIAL DEBAJA IMPEDANCIA TECNOLOGIA DIGITAL
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PROTECCION DE BARRAS –DIFERENCIAL DEBAJA IMPEDANCIA TECNOLOGIA DIGITAL
Se requiere procesar gran número de señales analógicas (decenas de
corrientes). El problema es como concentrar todas las señales dentrodeuna “caja”. Se requiere controlar varias señales lógicas que son parte de lasentradas lógicas del relé para verificar las posiciones de losseccionadores e interruptores con la finalidad de representar en laréplica dinámica de la barra (ajuste dinámico de las zonas de protecciónen una determinada configuración de barras).
Se requiere gran número de contacto de disparos particularmente en
loscasos de barras reconfigurables, es decir, cuando cada interruptor debeser disparado separadamente dependiendo de la configuración de labarra en el momento de la acción de disparo
Se requiere varias zonas de protección para cubrir por secciones en elcaso de sub-estaciones con barras extensas.
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PROTECCION DIGITAL DE BARRAS-ARQUITECTURA
DISTRIBUIDA.
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PROTECCION DIGITAL DE BARRAS – ARQUITECTURA CENTRALIZADA
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CONCLUSIONES
La protección de sistemas de potencia cubre una amplia temática que
nos indica la tecnificación en esta materia y lo delicado de interrumpir elservicio debido a una falla, ya que en la sociedad actual se mueve con
energía eléctrica y al haber un corte del fluido eléctrico por una falla, se
está también paralizando la forma de vida de las sociedades modernas
que dependen mucho del servicio eléctrico para muchas actividades
entre estas el servicio de agua, la conservación de alimentos y
medicinas, los equipos médicos de hospitales, toda la industria basada
en máquinas eléctricas, la circulación de vehículos en las calles y eltráfico marítimo y aéreo, por lo que vemos que los sistemas tienen que
tener sistemas de potencia eléctrica deben ser redundantes. De allí la
importancia de las protecciones.
El corazón de un sistema de potencia eléctrica es el generador por loque para incrementar su vida útil y mantenerlo operativa debe de
mantener además de un buen programa de mantenimiento preventivo
un sistema de protecciones para fallas de tipo natural o provocadas porel personal o también a actos premeditados, para este fin se dispone de
sistemas de protecciones a base de relés, interruptores analógicos o
digitales interconectados en redes de comunicación para mantener los
sistemas de potencia eléctrica siempre operativos.