Protecciones eléctricas y seguridad en redes de distribución

El presente informe fue preparado por el ingeniero civil electricista del Área de Estudios del Grupo Editorial Editec Alexis Orellana, donde describe este tema crítico en los procesos eléctricos, en relación a la seguridad del personal y de las redes en situaciones de complejidad.

En general, el funcionamiento de toda instalación eléctrica puede ser clasificado dentro de dos estados operativos. Un sistema opera en estado normal si todos los parámetros del circuito (tales como voltaje, corriente, frecuencia u otros) se encuentran dentro de los límites establecidos de funcionamiento. Cuando una o más de estas variables se alejan de los rangos definidos, el sistema entra en un estado de operación anormal, que puede derivar en una de las siguientes situaciones :

Perturbaciones: Corresponden a anormalidades de breve duración que no constituyen riesgo para la operación de una instalación eléctrica, como por ejemplo variaciones momentáneas de voltaje o frecuencia, o las sobrecargas de corriente de corta duración.

Fallas: En este caso se pone en peligro la integridad de la instalación, los bienes asociados y la vida de las personas. Dentro de este grupo se encuentran las sobrecargas permanentes, los cortocircuitos, las fallas de aislamiento, el corte de los conductores y otras.

A pesar de que en la actualidad existe un alto grado de conocimiento acerca del origen de las fallas, en la práctica no es posible evitarlas completamente, por lo cual cualquier sistema debe estar provisto de un sistema de protecciones que involucre el balance entre seguridad de servicio y costo. Dentro de su diseño se deben considerar los siguientes principios básicos :

– <b<Confiabilidad: Corresponde a la habilidad de la protección para operar correctamente. Este concepto incluye la certeza de acción en caso de falla, y la seguridad, que indica la capacidad de evitar una maniobra indebida.

Velocidad: Tiempo de operación mínimo para despejar una falla con el fin de evitar el mayor daño posible al equipamiento.

Selectividad: Capacidad de mantener la continuidad de suministro al desconectar la menor sección posible de la red para aislar la falla.

Costo: Determina el equilibrio entre nivel de protección e inversión asociada.

En el caso particular de redes radiales de distribución secundaria, una disposición normal consiste en un fusible de la compañía eléctrica y un automático general asociado al cliente, que conecta con otras ramas independientes, cada una con un automático de menor calibre que el general. El riesgo de las personas se minimiza adicionando un automático diferencial, más sensible a desequilibrios en la corriente y de acción más rápida que las protecciones que lo anteceden.

Protección de las redes de distribución

En las redes primarias de distribución, que comparten el atributo de radialidad con las redes secundarias pero que involucran corrientes de mayor importancia y cuyas interrupciones afectan a más clientes, se instalan interruptores en la salida de cada alimentador. Dado que la mayoría de las fallas es de carácter fugaz, estos interruptores suelen ser reconectadores, en particular en líneas rurales. La forma de protección depende de si el sistema se encuentra o no puesto a tierra. Si lo está, operan con un detector de sobrecorriente del tipo extremadamente inverso (más parecido a un fusible). En cambio, si el sistema opera levantado de tierra, se instala un detector direccional de potencia reactiva homopolar (dado que esta cambia de sentido durante la falla).

La coordinación entre un reconectador y un fusible se da principalmente en redes rurales, y resulta adecuada si la corriente se encuentra comprendida entre los valores de corte de las curvas del fusible con las curvas rápida y lenta del reconectador. En la Figura 1 se muestra un ejemplo simple que involucra a ambas protecciones, y en la Figura 2 se presenta la región de operación del fusible y del reconectador. Los puntos a y b representan los valores de corriente mínima y máxima que puede ver el fusible, los cuales están asociados a la intersección de las curvas de operación del reconectador (L: lenta; R: rápida) y del fusible (MMT: Mínimum melting time; TCT: Total clearing time).

Al ocurrir una falla en el punto de ubicación del fusible, este observaría la mayor corriente de diseño. La Figura 2 indica que ambos elementos se accionarían, generando pérdida de selectividad en la operación de las protecciones. Para corregir esto, se duplica el tiempo de operación del fusible en la curva MMT ante una corriente I2. El desplazamiento de la curva MMT determina un nuevo esquema como el presentado en la Figura 3, donde se observa que la curva rápida del reconectador opera primero ante cualquier corriente que haga operar al fusible. De esta forma se garantiza el accionamiento del fusible sólo en caso de fallas permanentes, asociando al reconectador a fallas temporales.

Los esquemas de protección descritos se refieren a sistemas de distribución típicos, diseñados en forma radial, que generan flujos de potencia unidireccionales. El desarrollo y la penetración de la generación distribuida en el último tiempo ha ocasionado que los flujos puedan transmitirse en ambos sentidos, generando impactos en las condiciones de operación de los sistemas. Dentro de los desafíos planteados por la literatura referida al tema destaca el manejo de la coordinación de protecciones ante la multiplicidad de fuentes y su efecto sobre cortocircuitos y sobrecargas , lo cual podría afectar la confiabilidad y seguridad de los sistemas de distribución. Este desafío también ha sido afrontado por los fabricantes de los sistemas de protección, quienes han venido desarrollando nuevos dispositivos inteligentes y descentralizados que permitan adquirir datos, controlar y monitorear con el fin de optimizar la confiabilidad y minimizar las pérdidas de suministro en este tipo de redes.