Protección de mínima tensión (ANSI 27)

 

1.- Protección de mínima tensión (ANSI 27)

Las caídas de tensión en la red de distribución eléctrica pueden deberse a:

       -        Una sobrecarga de la red

       -        Al funcionamiento defectuoso de un cambiador de tomas de transformador

       -        Un cortocircuito.

Las consecuencias son el aumento de las pérdidas Joule en los motores:

       -        En la puesta en marcha, el par de arranque y el par máximo son proporcionales al cuadrado de la tensión. Una caída de tensión conducirá a un tiempo de arranque más largo y, por lo tanto, las pérdidas Joule serán más importantes, o, si el par resistivo es mayor que el par máximo, el rotor se parará.

       -        Durante el funcionamiento normal, la potencia activa absorbida por el motor es de P_a = √3 U · I cos ϕ. Si la tensión cae, la corriente aumenta para que se mantenga la potencia del motor (el cos ϕ no variará mucho). Para ligeras variaciones de tensión, entonces P_a = √3 U · I cos ϕ = constante. Las pérdidas Joule (3 RI²) aumentarán.

La protección de mínima tensión dará la orden de disparo antes de que los motores se averíen.

Este tipo de protección también se puede utilizar:

       -        Para controlar el funcionamiento de los reguladores de tensión

       -        Para deslastrar la carga de la red de los consumos no prioritarios cuando se produce una sobrecarga

       -        Para controlar la tensión antes de efectuar una conmutación de fuentes

1.1.-  Principio

La protección se activa cuando una de las tensiones es inferior al umbral U_set configurado. Incluye un retardo de tiempo definido.

1.2.-  Indicación de regulaciones

Ejemplo para la protección de motores

Umbral de ajuste de tensión de 0,75 a 0,8 Un.

La regulación de la temporización será un compromiso entre:

       -        Las posibilidades de los motores

       -        El programa de deslastre de cargas

       -        El esquema de protección (la demora requerida puede ser larga).

2.- Protección de mínima tensión remanente (ANSI 27)

Después de la apertura de un circuito durante una conmutación automática (o un corte breve de la energía suministrada por la red eléctrica), los motores mantienen una tensión durante el tiempo que tarda en extinguirse el flujo. Si se restablece el suministro eléctrico mientras los motores están funcionando como generadores, se puede provocar un acoplamiento en oposición de fase que cause fenómenos eléctricos y mecánicos transitorios que podrían dañar el motor.

La protección de mínima tensión remanente controla la tensión de las barras colectoras que alimentan los motores y autoriza el restablecimiento de la alimentación si esta tensión es inferior al umbral de tarado.

2.1.- Principio

La protección se activa si la tensión es inferior al umbral U_set configurado. Incluye un retardo de tiempo definido.

Funciona según el mismo principio que la protección de mínima tensión descrita anteriormente en el apartado 1, pero con un umbral de ajuste más bajo.

2.2.-  Indicación de regulaciones

       -        Umbral de ajuste de tensión del 20 al 25% de Un

       -        temporización de 0,1 segundos.

3.- Protección de mínima tensión de secuencia positiva y control del sentido de rotación de fases (ANSI 27 D - 47)

Este tipo de protección se utiliza para proteger motores. Realiza dos funciones de protección:

       -        Protege contra caídas de tensión de secuencia positiva. La tensión de secuencia positiva define con precisión el par del motor. Por lo tanto, es más precisa que la medición de tensión. Las consecuencias de una caída en la tensión de secuencia positiva son las indicadas en el apartado 1.

       -     Protege contra una inversión en el sentido de rotación de fases. Una sentido de rotación de fases inversa puede deberse a un error de conexión de un cable. Esta inversión provoca que los motores funcionen en sentido contrario, lo que puede ser perjudicial para la carga mecánica y, en consecuencia, para el motor.

3.1.- Método para determinar el valor de la tensión de secuencia positiva

La protección determina la componente de secuencia positiva del sistema de tensión trifásica realizando el siguiente cálculo:

Este cálculo permite eliminar la componente inversa de la tensión.

Si suponemos que la tensión es la suma de un sistema de tensión de secuencia positiva V₁₍₁₎, V₂₍₁₎, V₃₍₁₎ y de un sistema de tensión de secuencia negativa V₁₍₂₎, V_2(2), V₃₍₂₎ (se supone que no hay componente homopolar o de secuencia cero).

La tensión de cada fase es:

Para un sistema de secuencia positiva se tiene por definición:

y para el sistema de secuencia negativa:

Efectuamos el cálculo siguiente:

Por tanto:

Si los captadores de tensión están conectados entre fases, se realiza el siguiente cálculo:

3.2.- Indicación de regulaciones

□ Contra una caída de tensión de secuencia positiva

Umbral de ajuste de tensión de 0,75 a 0,8 Vn.

La regulación de la temporización será un compromiso entre:

       -        Las posibilidades de los motores

       -        El programa de deslastre de cargas

       -        El esquema de protección (la demora requerida puede ser larga).

□ Contra una inversión en el sentido de rotación de fases

Para el caso del relé Sepam 2000 de Schneider, no hay ningún ajuste, la protección considera que el sentido de rotación de fases es inversa cuando se reúnen las dos condiciones siguientes:

       -        La tensión de secuencia positiva calculada es inferior al 10 % de Vn

       -        La tensión medida es superior al 80 % de Vn.

 

 

FUENTE:

Schneider Electric: Guide des protections des réseaux industriels (Christophe Prévé)

Conceptos de Redes Eléctricas

 

1.- Redes eléctricas

La energía eléctrica se produce al mismo tiempo que se consume, por eso, la producción se ha de adaptar permanentemente al consumo.

Es por este motivo que el conjunto producción, transporte y utilización constituye un sistema complejo, que se llama «red eléctrica» que debe ser estable.

Una red eléctrica puede ser de poca o mucha potencia, dependiendo del país donde esté. En todos los casos sus características se definen en términos de:

■ Magnitudes eléctricas,

■ Disposición espacial,

■ Datos referidos al tiempo.

 

1.1.- Magnitudes eléctricas

■ La frecuencia: 50 ó 60 Hz, según el país.

■ La tensión: de algunas centenas de voltios a algunas centenas de kV, según se trate de una u otra parte de la red.

La intensidad de la corriente que circula en las líneas y los cables influye sobre estas magnitudes básicas y está ligada a las potencias activa y reactiva que se generan, transportan y consumen.

■ Los alternadores producen la potencia activa a partir de la energía térmica o mecánica y los receptores la consumen también en forma térmica o mecánica.

■ La potencia reactiva se produce o consume en todos los elementos de la red.

Hay que señalar que, en régimen dinámico, las máquinas rotativas (con inercia) almacenan la energía activa, y que la energía reactiva se almacena o en forma magnética (por ejemplo, en los transformadores o máquinas rotativas) o en forma capacitiva (por ejemplo, en los cables).

 

1.2.- Disposición espacial

La estructura topológica varía con:

■ Los continentes,

■ Los países o regiones,

■ Los polígonos industriales (de cientos de metros a decenas de kilómetros),

■ Los edificios del sector servicios.

En los dos primeros casos, hay tres niveles de circulación de la energía:

■ El transporte,

■ El reparto,

■ La distribución.

 

1.3.- Datos temporales

Las variaciones del equilibrio entre la oferta y la demanda de energía producen variaciones en las magnitudes eléctricas básicas, frecuencia y tensión, que, a pesar de eso, se han de mantener dentro de límites aceptables.

 

2.- La calidad de la energía eléctrica

Una red eléctrica tiene, en general, una estabilidad global que se manifiesta en un equilibrio a gran escala en el tiempo y en el espacio del conjunto del sistema producción/transporte/consumo.

Pero un análisis más detallado revela que en realidad hay, de forma permanente y en cualquier lugar, situaciones que provocan fluctuaciones que se van compensando, salvo catástrofes.

Así, la noción de «calidad de la electricidad» se manifiesta en (figura 1):

■ La continuidad del suministro, que es la disponibilidad de la energía eléctrica en un lugar en concreto, que se puede interrumpir, originado cortes breves (< 1 min), o largos (> 1 min).

■ La forma de la onda de tensión (en frecuencia, amplitud y duración); en este caso las perturbaciones se clasifican generalmente según su gama de frecuencias:

□ Fenómenos en alta frecuencia (kHz → MHz): sobretensiones de frente rápido, debidas a rayos o a ciertas maniobras (por ejemplo, de seccionadores, interruptores o de ciertos tipos de interruptores automáticos),

□ Fenómenos en baja frecuencia (50 Hz → kHz): sobretensiones de maniobra, armónicos,

□ Fenómenos a frecuencia industrial (0 → 100 Hz): fluctuaciones rápidas (entre 20 ms y 1 s) o lentas (superiores a un segundo) como son el desequilibrio y las bajadas de tensión debidas a la conexión de grandes cargas o a cortocircuitos en la distribución.

Las variaciones de frecuencia pueden surgir de:

■ Un cortocircuito próximo a una fuente,

■ Una gran variación de la potencia de la fuente,

■ La conmutación de fuentes redundantes o de emergencia.

En este contexto, la estabilidad dinámica estudia los cambios de frecuencia, tensión y potencia que siguen a perturbaciones importantes.

Fig. 1: Perturbaciones de tensión en las redes.

 

3.- Estabilidad de las redes

La estabilidad de las redes se caracteriza por las fluctuaciones de las potencias que circulan por la red y se mide por las variaciones en el tiempo de su tensión y su frecuencia.

Hay que distinguir:

■ La estabilidad en régimen estático, que es la que corresponde a una red con un comportamiento estable, es decir, sometido a pequeñas fluctuaciones y que vuelve a su punto de funcionamiento inicial con oscilaciones transitorias amortiguadas hasta que se alcanza de nuevo el equilibrio,

■ La estabilidad en régimen transitorio que es el que corresponde al paso de un estado estable estático a otro como resultado de una perturbación prolongada, intencionada o no; este cambio de equilibrio va acompañado de un régimen variable oscilatorio amortiguado que se considera aceptable según unos límites predeterminados de ΔU, Δf, Δt,

■ Se tiene inestabilidad en régimen transitorio cuando, después de una perturbación importante, el régimen oscilatorio es divergente. Éste lleva a un fallo del suministro o un nuevo estado, estable pero inaceptable (por ejemplo, un motor que «es arrastrado» por el generador),

■ Hay estabilidad en régimen dinámico cuando una red está en condiciones de evitar cualquier régimen oscilatorio divergente y es capaz de volver a un estado estable aceptable.

Esto implica la intervención eventual de diversas protecciones y automatismos según las perturbaciones previstas.

Los estudios de estabilidad dinámica consisten en:

■ Prever las principales situaciones críticas, como pueden ser cortocircuitos, fallo de la máquina de energía mecánica, fallo del generador eléctrico, variaciones de carga, sobrecargas de producción...,

■ Prever el comportamiento de la red ante estas perturbaciones,

■ Recomendar las medidas que se deben tomar en la explotación: tipos de protección, ajuste de los relés, desconexión de cargas, configuraciones… para evitar modos de funcionamiento indeseables.

Por tanto, este estudio permite mantener bajo control el comportamiento de la red en cuestión, sea pública o privada, de AT o de BT.

 

4.- Las redes industriales

A continuación se citan algunas de las características determinantes de las redes eléctricas industriales:

■ Extensión geográfica del lugar de hasta varias decenas de hectáreas,

■ Longitud de las conexiones, líneas y cables, que pueden llegar a varios kilómetros para cada uno de los valores de tensión,

■ Fuentes de energía: de distribuidores exteriores, de producción propia (red aislada) y soluciones mixtas,

■ Tensiones: varios valores en una gama que va de 380 V a 90 kV o más,

■ Potencias: de 250 kVA a 100 MVA o más,

■ Cargas: gran abundancia de motores asíncronos; también de cargas especiales relacionadas con la producción (por ejemplo electrólisis, hornos…),

■ Complejidad de la arquitectura de la red que ha de poder alimentar a los consumidores prioritarios, tener redundacias de alimentación y ser reconfigurable,

■ Constantes de tiempo de estabilidad: normalmente de uno a diez segundos.

Estudio de estabilidad dinámica de las redes industriales