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METODOS CONVENCIONALES DE CALCULO DE REDES, FLUJO DE POTENCIA Y PARAMETROS DE PROTECCION DE LOS SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA
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METODOS CONVENCIONALES DE CALCULO DE REDES, FLUJO DE
POTENCIA Y PARAMETROS DE PROTECCION DE LOS SISTEMAS
ELECTRICOS DE POTENCIA
CONTENIDO
Pag
INTRODUCCION…………………………………………………………………………………...3
SITEMAS DE POTENCIA, CONCEPTOS PRELIMINARES………………………………….4
Generación
Transmisión
Sub-transmisión
Distribución
METODOS CONVENCIONALES PARA EL CALCULO DE REDES……………………..…5
Método del circuito equivalente en “T”…………………………………………...................5
Método del circuito equivalente en “π”……………………………………………...............6
FLUJO DE POTENCIA…………………………………………………....................................7
DESCRIPCION DE UN ESTUDIO DE FLUJO DE POTENCIA……………………………....7
REPRESENTACION DE LOS ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE POTENCIA………….8
PROTECCIONES DE SISTEMAS DE POTENCIA…………………………………………10
CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN………………………………10
PROTECCIONES PRINCIPALES Y PROTECCIONES DE RESPALDO………………….10
PROTECCIÓN DE LAS LÍNEAS DE TRASMISIÓN…………………………………………11
RELÉ DE SOBRECORRIENTE…………..……….………………………………………………………………………………..…11
RELÉ DE DISTANCIA….…………….……………………………………………………………………………………………………....13
CONCLUSION………………………….……………………………………………………………………………………………………………15
BIBLIOGRAFIA………………………….…………………………………………………………………………………………………………16
INTRODUCCION
De forma general, se indica que el objetivo principal de un Sistema Eléctrico de
Potencia es satisfacer la demanda, lo que deriva en un control continuo y
exhaustivo para mantener calibrado el sistema. Surgen como consecuencia,
cantidad de situaciones-problema a resolver; es posible que se planteen muy a
menudo preguntas como: ¿dónde debe hacerse la alimentación de corrección? e
incluso se deben prever caídas de tensión, sobretensiones y sobrecargas de la
red; se debe hacer la regulación de transformadores, la inyección de potencia
reactiva, si es necesario la implementación de un banco de condensadores. Etc. El
verdadero obstáculo para hacer los ajustes necesarios radica en poder identificar
el lugar de corrección dentro de un sistema completo de distribución de potencia,
esto se debe a la complejidad del sistema. Como consecuencia, el análisis, de
estos problemas se hace a través de métodos especiales y de mucha complejidad
numérica, y es necesario el uso de un ordenador digital para resolverlos.
SITEMAS DE POTENCIA, CONCEPTOS PRELIMINARES
Todo el recorrido desde la generación hasta su entrega final de la energía
eléctrica, se realiza en lo que se denomina el sistema de potencia.
El sistema de potencia se encuentra dividido en 4 partes fundamentales:
1. Generación
2. Transmisión
3. Sub-transmisión
4. Distribución
Generación:
Es la transferencia de cualquier forma de energía a energía eléctrica. Los
generadores se encargan de esto, se le entrega energía mecánica para
transformarla en energía eléctrica y así producir electricidad.
Transmisión:
Toda la electricidad producida en los centros de generación se debe transportar
hacia los grandes centros poblados, que por lo general se encuentran bastante
alejados, uno del otro. Para realizar esta labor de forma eficiente se eleva el
voltaje, por medio de transformadores, y se utilizan grandes torres metálicas para
sujetar los cables que la transportan.
Sub-transmisión:
Una vez que nos aproximamos a los centros poblados, es necesario reducir el
voltaje a valores menores por medio de transformadores reductores. Para facilitar
así el transporte de energía a los grandes centros industriales y residenciales de
las ciudades.
Distribución:
Finalmente y para poder llegar a cada uno de los hogares, centros comerciales e
industrias, se vuelve a reducir el voltaje. De esta forma es mucho más sencillo,
económico y seguro, transportar la energía eléctrica a cada rincón del pueblo,
urbanización o ciudad. En esta etapa se reduce el voltaje a valores comerciales
120 Volt, 240 Volt, 440 Volt, por medio de transformadores instalados
directamente en los postes por donde se transporta la energía eléctrica.
METODOS CONVENCIONALES PARA EL CALCULO DE REDES
Para realizar el cálculo de las líneas eléctricas se aceptan unas simplificaciones
que no afectan prácticamente a los resultados finales, sino que, por el contrario,
simplifican considerablemente la complejidad de los problemas.
La altura de las líneas se mantiene constante en todo su trayecto.
Los parámetros eléctricos se mantienen constantes en todo el trayecto de
las líneas.
Las condiciones externas a la línea (condiciones medioambientales
principalmente) se mantienen regulares en toda la longitud de la línea.
Siempre se considerará que los sistemas están conectados en estrella (si
están conectados en triángulo se procederá a la conversión triángulo-
estrella), y por tanto las fórmulas en estrella a emplear seguirán siendo
válidas.
Las intensidades en conexión estrella no cambian.
Con la notación (U) se simbolizan los valores de línea y con (V) se
representan los valores de fase.
A todas las magnitudes vectores, se les asignará el símbolo (U).
Existen, al menos, dos formas de agrupar los parámetros eléctricos que influyen
en una línea eléctrica de longitud media, no afectando su elección a la calidad de
los resultados finales.
Método del circuito equivalente en “T”.
Método del circuito equivalente en “π”.
Método del circuito equivalente T:
Con este método se agrupan los parámetros transversales (conductancia y
capacidad) en la parte central de la línea, dejándose los parámetros longitudinales
(resistencia e inductancia) divididos en dos grupos iguales, mitad de los totales,
colocados en los extremos de la línea. Con esta distribución el conjunto de la línea
se asemeja a la letra (T), de donde deriva su nombre.
Método del circuito equivalente en π:
A diferencia del método anterior, este método divide a la línea por sus parámetros
transversales, manteniendo unidos los parámetros longitudinales, es decir, en el
tramo central se situarán la resistencia y la reactancia inductiva en forma
concentrada, mientras que la conductancia y la susceptancia ocuparán las
posiciones extremas estando sus valores divididos por la mitad (G/2 y B/2), tal
como se representa a continuación:
FLUJO DE POTENCIA
El nombre Flujo de potencia normalmente conocido como flujo de carga,
corresponde a una serie de estudios importantes hechos para evaluar el estado
operativo de sistemas de potencia. A través de estos estudios se determina el
comportamiento del sistema lo que permite que sea controlado y se tomen
decisiones para la corrección o la optimización, así como la planificación para
expansiones futuras. Algunos de los problemas más comunes son:
Sobretensiones en un extremo receptor de las líneas de transmisión.
Caídas de tensión fuera de los límites establecidos por norma.
Sobrecarga de transformadores por exceso de potencia reactiva.
Sobrecarga en líneas de transmisión.
DESCRIPCION DE UN ESTUDIO DE FLUJO DE POTENCIA
Para hacer un estudio del flujo de potencia usualmente se usa una notación
simplificada del área a evaluar. Sabemos que una red de transmisión de potencia
normalmente presenta cierto grado complejidad debido al gran número de
conexiones y ramificaciones, así como la cantidad de cargas demandantes
conectadas al sistema. Por lo anterior los estudios se basan en diagramas
simplificados, diagramas unifilares o sistemas por unidad, un modelo del sistema
con características propias. Estos modelos normalmente ignoran el tiempo, es
decir, es un modelo de estado estacionario, lo que permite que se pueda
representar por un conjunto de ecuaciones algebraicas no lineales, estas
ecuaciones se pueden obtener aplicando las leyes de Kirchhoff. Luego se asume
que se está trabajando con una red balanceada, lo que permite que los
componentes del sistema se representen mediante un equivalente monofásico.
El estudio se hace generalmente para un único punto de la curva de demanda
horaria es decir, para un estado estático de carga, normalmente es el estado más
común de encontrar.
Un estudio de flujo de potencia define principalmente las potencias activa y
reactiva y el vector de tensión y corriente en cada bus en el sistema.
REPRESENTACION DE LOS ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE POTENCIA
Dentro de un estudio de flujo de potencia y teniendo en cuenta los parámetros
establecidos anteriormente, es común representar los componentes de un sistema
de potencia de forma sencilla. Por ejemplo, los generadores eléctricos se pueden
representar como inyecciones de potencia activa a tensión constante y las cargas
como eyecciones de potencia activa y reactiva. Esto facilita el análisis pues se
establece desde el inicio como valor fijo la potencia y el voltaje, y para el caso de
las cargas se conoce el consumo de potencia activa y reactiva.
Las líneas de transmisión se representan por su equivalente monofásico que es un
modelo tipo Pi (π), donde la rama serie es el efecto resistivo e inductivo de la línea
y las dos ramas laterales representan el efecto capacitivo de la línea. Tal como se
aprecia en la imagen.
En este modelo se debe calcular la admitancia serie y la admitancia paralelo de la
línea con el fin de determinar la potencia activa y reactiva que atraviesa la línea.
Para el caso de los transformadores, el equivalente monofásico incluye el efecto
del núcleo y el efecto de las bobinas, sin embargo el efecto del núcleo en sistemas
de transmisión en muy pequeño comparado con el efecto de las bobinas, por lo
que se hace despreciable en el análisis.
De forma similar se hacen todas las representaciones, de las cuales se derivan
una serie de ecuaciones lineales comúnmente con un mínimo de dos por
elemento.
Debido al gran tamaño de los sistemas de potencia, es necesario expresar las
ecuaciones en forma compacta, para eso se usa un modelo matricial inicial de la
forma;
[𝐼𝑏𝑢𝑠] = [𝑌𝑏𝑢𝑠][𝐸𝑏𝑢𝑠]
Un producto entre una matriz de admitancias y un vector que contiene todos los
valores de tensiones nodales extraídos de los modelos planteados, esto con el fin
de llegar a una expresión mucho más general de las potencias activa y reactiva
presentes en el sistema; esta expresión también se expresa como un modelo
matricial más completo.
[𝑃𝑔] − [𝑃𝑑] − [∑𝑃 ] = 0
Donde; [𝑃𝑔] es el vector de potencia generada, tanto activa y reactiva.
[𝑃𝑑] Es el vector de potencia demandada.
[∑𝑃 ] Es la matriz del flujo de potencia.
Este modelo es la forma básica para de hacer un análisis de flujo de potencia que
se resuelve por métodos numéricos.
Los principios en los estudios del flujo de potencia son fáciles, pero un estudio
relativo a un sistema de potencia real solo se puede llevar a cabo con un
ordenador digital. Entonces la necesidad sistemática de cálculos numéricos
requiere que se ejecuten por medio de un procedimiento iterativo; dos de los
normalmente usados son el método de Gauss-Seidel y el método de Newton-
Raphson.
Para efectuar estos cálculos, fueron construidos entre 1929 y principios de la
década de 1960 analizadores de redes de propósito especial para suministrar
modelos de laboratorio. Hoy se cuenta con una gran variedad de software intuitivo
que para el análisis de un sistema, sea en conexión directa o basándose en
diagramas unifilares. Ejemplos de estos son; DIGSILENT, REDCAD, CYME,
NEPLAN (véase pag. 34 Anexo7.3_GERS_ConexionSuria).
PROTECCIONES DE SISTEMAS DE POTENCIA
El objetivo de los sistemas de protección es remover del servicio lo más rápido
posible cualquier equipo del sistema de potencia que comienza a operar en una
forma anormal. El propósito, es también, limitar el daño causado a los equipos de
potencia, y sacar de servicio el equipo en falta lo más rápido posible para
mantener la integridad y estabilidad del sistema de potencia. Dado que la
estabilidad transitoria está relacionada con la habilidad que tiene el sistema de
potencia para mantener el sincronismo cuando está sometido a grandes
perturbaciones, el comportamiento satisfactorio de los sistemas de protección es
importante para asegurar la estabilidad del mismo.
CARACTERÍSTICAS DE UN SISTEMA DE PROTECCIÓN
Para que un sistema de protección pueda realizar sus funciones en forma
satisfactoria debe cumplir con las siguientes características:
Sensibilidad.
Detectar pequeñas variaciones en el entorno del punto de equilibrio, de ajuste, o
de referencia, con mínima zona muerta o de indefinición.
Selectividad.
Detectar un determinado tipo de anomalía en un determinado componente o
equipo del sistema de potencia y no operar ante otro tipo de anomalía o ante
anomalías en otros equipos.
Rapidez.
Limitar la duración de las anomalías, minimizando los retardos no deseados.
Confiabilidad.
Probabilidad de cumplir la función encargada sin fallar, durante un período de
tiempo.
PROTECCIONES PRINCIPALES Y PROTECCIONES DE RESPALDO
Hay dos razones por la cual se deben instalar protecciones de respaldo en un
sistema de potencia. La primera es para asegurar que en caso que la protección
principal falle en despejar una falta, la protección de respaldo lo haga. La segunda
es para proteger aquellas partes del sistema de potencia que la protección
principal no protege, debido a la ubicación de sus transformadores de medida.
La necesidad de respaldo remoto, respaldo local o falla interruptor dependen de la
consecuencia de esa falta para el sistema de potencia.
Respaldo remoto:
Las protecciones de respaldo remoto se ubican en las estaciones adyacentes o
remotas.
Respaldo local y falla interruptor:
El respaldo local está ubicado en la misma estación.
El objetivo de las protecciones de respaldo es abrir todas las fuentes de
alimentación a una falta no despejada en el sistema. Para realizar esto en forma
eficiente las protecciones de respaldo deben:
Reconocer la existencia de todas las faltas que ocurren dentro de su zona de
protección.
Detectar cualquier elemento en falla en la cadena de protecciones, incluyendo los
interruptores.
Iniciar el disparo de la mínima de cantidad de interruptores necesarios para
eliminar la falta.
Operar lo suficientemente rápido para mantener la estabilidad del sistema,
prevenir que los equipos se dañen y mantener la continuidad del servicio.
PROTECCIÓN DE LAS LÍNEAS DE TRASMISIÓN
Las protecciones usadas para proteger las líneas o cables de trasmisión son: Relé
de sobre corriente, Relé diferencial de línea, Relé de distancia, Relé de distancia
con comunicación. Dos de estas protecciones se definen a continuación.
RELÉ DE SOBRECORRIENTE:
Los relés de sobre corriente son la forma más barata y simple de proteger una
línea de trasmisión pero además es una protección que necesita ser reajustada
cuando cambian las condiciones del sistema de potencia. Este es un relé
electromagnético sin retardo o instantáneo que reacciona ante una sobre
intensidad de corriente, por ejemplo, un cortocircuito; mediante un contacto auxiliar
del relé se produce una desconexión remota, por ejemplo, del interruptor
automático correspondiente. Generalmente son utilizados en líneas radiales.
Circuito radial En líneas de trasmisión donde hay alimentación desde ambos extremos, se
utilizan relés de sobre corriente direccional con o sin esquemas de tele protección.
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN: De acuerdo a la característica de tiempo de operación, los relés pueden clasificarse en:
Protecciones de sobrecorriente instantáneas: Estos relés, como unidades aisladas, se usan poco en los sistemas eléctricos de
potencia. Generalmente se utilizan en conjunto con otras protecciones, con el fin
de combinar sus características. Se construyen del tipo de armadura succionada,
armadura atraída y copa de inducción. Los tiempos de operación son del orden de
los 10 a los 60 milisegundos.
Protecciones de sobrecorriente de tiempo definido: Una protección simple de tiempo definido podría obtenerse usando un relé
instantáneo en conjunto con un elemento temporizador que produzca el retardo
necesario. El relé opera sólo si la sobrecorriente se mantiene durante el tiempo
necesario. En caso contrario, el relé se repone.
Protecciones de sobrecorriente de tiempo inverso:
La principal características de este tipo de relés es que mientras mayor sea la
corriente aplicada, menor es su tiempo de operación. Este principio da origen a
una variedad de relés con diversas características de tiempo de operación y
pequeñas diferencias de diseño eléctricas y mecánicas.
RELÉ DE DISTANCIA: En los circuitos de trasmisión de alta tensión, los niveles de corriente de falta son altos, por lo cual si una falta no es despejada rápidamente, puede causar inestabilidad al sistema de potencia así como daños al personal o al equipamiento. Por esta razón, los relés de distancia son empleados en vez de los relés de sobrecorriente. Las ventajas de aplicación de relés de distancia, en comparación con los relés de
sobrecorriente son:
Mayor zona de operación instantánea.
Mayor sensibilidad.
Más fáciles de ajustar y coordinar.
No son afectados por los cambios en la configuración del sistema de
potencia.
Un relé de distancia calcula impedancia como el cociente entre la tensión y
corriente, en su ubicación en el sistema de potencia, para determinar si existe una
falta dentro o fuera de su zona de operación. Dado que en las líneas de trasmisión
la impedancia de la línea es proporcional a su longitud; es apropiado utilizar relés
de distancia para medir la impedancia de la misma desde la ubicación del relé
hasta un punto determinado (lugar de la falta); De allí que a los relés de
impedancia se los llame relés de distancia.
El relé de distancia está conectado a la línea a través de los transformadores de
medida. Suponemos que ocurre una falta a una distancia 𝑛𝑍𝐿Ω desde el relé.
Dado que la tensión en el lugar de la falta es V F = 0, la tensión en el relé es
𝑉𝐹 = 𝐼𝑅𝑛𝑍𝐿, es decir:
A continuación se muestra la representación de la línea protegida por un relé de distancia, a instalar en G.
CONCLUSIONES
El flujo de potencia corresponde a una serie de estudios importantes hechos para
evaluar el estado operativo de sistemas de potencia. A través de estos estudios se
determina el comportamiento del sistema lo que permite que sea controlado y se
tomen decisiones para la corrección o la optimización. Para hacer el estudio se
usan diagramas simplificados del sistema y los análisis matemáticos se resuelven
con software que implementan métodos numéricos para dar las respuestas.
Los Sistemas de Protección se utilizan en los sistemas eléctricos de potencia para evitar la destrucción de equipos o instalaciones por causa de una falla que podría iniciarse de manera simple y después extenderse sin control en forma encadenada.
BIBLIOGRAFIA
1. Ensayo en línea; http://materias.fi.uba.ar/7106/Resumen0501/Energia%20Electrica.pdf
2. Informe de estudios ISA; http://www.emsa-esp.com.co/new/contratacion/docs/docs535/Inv007-11Anexo7.3_GERS_ConexionSuria.pdf
3. Ejemplo de software para análisis de flujo de potencia http://www.cyme.com/es/software/cymecymflow/
4. https://www.youtube.com/watch?v=7i82mAM4FDg
