LA CONTINUIDAD DEL SERVICIO (CAPITULO V)
La alimentación con energía eléctrica exige una aceptable calidad del servicio.
Uno de los factores que miden esta calidad es precisamente la continuidad del servicio.
No pueden evitarse económicamente ciertas perturbaciones en el suministro que atentan contra la continuidad y en consecuencia debe buscarse reducir estas situaciones y restablecer el servicio en tiempos mínimos.
Es importante que las fallas sean limitadas en área de influencia y en duración.
Las fallas implican en ciertos casos un lucro cesante, que es el factor que permite evaluar la conveniencia de utilizar dispositivos que mejoren la continuidad del servicio.
La rapidez de intervención ante una falla exige una rápida prelocalización, por lo que es conveniente que cada falla afecte áreas pequeñas, logicamente debe existir una guardia que intervenga en tal caso de manera de minimizar el tiempo de falta y lograr un rápido establecimiento del servicio.
Cuando la inversión debe ser mínima los distintos puntos de la red, en los que debe entregarse energía se unen entre sí con líneas formando una estructura arborescente.
En cada caso se eligen las uniones de manera de lograrse la mínima longitud total de la línea, en rigor el mínimo costo.
La estructura arborescente, utilizada en las líneas rurales, y en las líneas de baja tensión de poca importancia satisface los requerimientos de suministro
figura (5.2).1, pero la protección exige complicaciones en la operación ya que deben ponerse protecciones selectivas en cada punto de ramificación.Si se disminuyen los puntos en que se instalan protecciones se aumenta la dificultad de encontrar el punto en que se ha producido la falla aumentándose también el área de influencia de la falla, con lo que se aumenta el costo de operación del sistema.
Para tener centralizadas las protecciones, simplificando al máximo la operación, la forma que debe adoptar la red es llegando a cada usuario desde un único centro alimentador.
Este criterio es normalmente utilizado para el diseño de redes industriales de baja tensión, en las cuales la falla del cable deja al usuario (motor) sin alimentación.
Cada falla solo afecta un usuario, todas las protecciones están centralizadas,
figura (5.2).2.Esta forma de alimentación es particularmente interesante cuando el valor de las cargas es relativamente importante y la tensión de alimentación es relativamente baja, por lo que no hay ventajas en construir una red de distribución de tipo arborescente.
5.3 - UTILIZACIÓN DE INTERRUPTORES CON RECIERRE
En las redes en las cuales gran parte de las fallas que se producen no son permanentes, sino por el contrario son fugaces, desapareciendo al cabo de un tiempo, la continuidad del servicio puede ser mejorada utilizando el recierre.
Cuando en una línea se produce una falla, las protecciones ordenan la apertura del interruptor y la corriente de falla se extingue,
figura (5.3).1.Si como sucede en líneas aéreas (en el 70 - 80 % de los casos) la falla desaparece con la extinción de la corriente, y regenerado el aire en la zona en que se produjo el arco, se puede realizar el recierre exitoso de la línea.
A consecuencia de esta forma de operar las interrupciones de servicio son reducidas en forma importante.
Solo en caso de que la falla persista la segunda actuación de las protecciones es seguida por la apertura definitiva de la línea.
Este sistema es el mismo que se utiliza en las líneas de transmisión e interconexión para mantener en sincronismo los sistemas.
La actuación de los interruptores (en ambos extremos de la línea) puede ser tripolar o unipolar, en este último caso se tienen mejores condiciones de estabilidad entre las dos partes que la línea une.
Sin embargo, en las operaciones unipolares, el acoplamiento capacitivo entre conductores puede influir en un mayor tiempo de extinción de la falla (que queda alimentada a través de las capacitancias de las otras fases), se debe entonces tratar de anular esta corriente lo que se hace utilizando la maniobra tripolar, o cuando se tienen reactores de compensación (de la línea) con un reactor supresor de arco (entre el neutro de los reactores y tierra) método utilizado en tensiones elevadas.
En las líneas de distribución, el ciclo de recierre puede ser con más maniobras de las antes indicadas, los interruptores normales pueden cumplir el ciclo O - 0,3 seg. - CO - 3 minutos - CO.
Se hacen entonces un recierre rápido y uno lento, con lo cual las pérdidas del servicio son aún menores ya que algunos recierres lentos son exitosos (fallas semipermanentes, que duran más de 0,3 segundos y menos de 3 minutos).
En algunos casos se hacen hasta 4 maniobras sucesivas antes de interrumpir el servicio definitivamente.
Los interruptores con recierre pueden ser utilizados en combinación con los fusibles, haciendo actuar los interruptores de manera de salvar la integridad de los fusibles ante fallas fugaces.
Esta forma de operar exige un análisis cuidadoso, y eventuales ensayos, para asegurar la coordinación de las protecciones,
Figura (5.3).2.El tiempo de actuación del interruptor ante la primera falla debe ser muy breve para evitar la fusión del fusible, si la falla desaparece la integridad del fusible debe salvarse, si la falla persiste, la segunda actuación del interruptor debe ser lo suficientemente demorada para que actúen los fusibles y si en esta forma desaparece la falla no se produzca la segunda apertura.
Esta forma de actuación se utiliza en redes aéreas de distribución urbanas en media tensión y también en redes rurales.
La condición de diseño fundamental de las redes rurales es la economía, por lo que su estructura es siempre radial arborescente.
Especialmente para ser utilizados en redes rurales se producen interruptores con recierre completamente autónomos ("Reclosers" tripolares o unipolares) y seccionadores de apertura automática ("Sectionalizers").
Los "seccionalizadores" poseen un contador de impulsos de corriente, y operan abriéndose, una vez que han contado un número de impulsos de acuerdo a su regulación, durante el lapso en el cual la corriente es nula.
Los interruptores con recierre, coordinados con fusibles, como ya se ha visto o bien interruptores coordinados con los "seccionalizadores", o los tres tipos de aparatos adecuadamente coordinados disminuyen el área de influencia de las desconexiones producidas por fallas permanentes lográndose de esta manera un servicio aceptablemente continuo,
figura (5.4).1.También existen algunos ingeniosos fusibles "con recierre", el primer fusible al fundirse por una falla y caer produce el cierre de un contacto que conecta el segundo fusible, y luego el tercero.
Es interesante destacar una característica de diseño de las líneas rurales que se refiere a la forma de distribución de energía.
En general los usuarios, (o grupos muy pequeños) se encuentran a distancias mayores que el radio de acción de la red de baja tensión, y en consecuencia deben recibir alimentación en media tensión.
La potencia de cada usuario es de valor relativamente pequeño (5 - 15 kVA) por lo que es conveniente alimentarlos en forma monofásica, ya que este tipo de distribución (por tener menos material) es menos costoso, también el transformador, al ser de menor potencia es menos costoso.
Cuando el sistema de media tensión no tiene neutro se utilizan transformadores conectados a dos fases, y las líneas de derivación tienen al menos dos conductores de fase.
En cambio cuando el sistema de media tensión es con neutro, puede hacerse la distribución tetrafilar (tres fases y neutro),
figura (5.4).2.Las derivaciones son monofásicas (fase y neutro) los transformadores son monofásicos, aptos para ser conectados entre fase y neutro.
El neutro de alta tensión puede ser común con la baja tensión, la puesta a tierra de este neutro debe ser asegurada en varios puntos para garantizar que en ningún caso asuma tensiones peligrosas.
Conectando adecuadamente dos transformadores monofásicos se pueden tener tensión trifásica (conexión en V) utilizable para motores, aún cuando la línea de media tensión tiene solo dos fases.
Cuando las potencias en juego son muy pequeñas, (y las corrientes de neutro son muy pequeñas) se puede utilizar la tierra como conductor de retorno, disminuyéndose aún más la inversión de la línea.
En estos últimos casos debe tenerse un buen control de las condiciones de funcionamiento para que las mayores pérdidas no impliquen costos que justificarían el neutro del sistema.
A medida que la corriente de tierra aumenta, al acercarse al centro de distribución, la necesidad y conveniencia del cuarto conductor se hace evidente.
En las líneas puede estudiarse el uso de conductores de elevada resistencia eléctrica con secciones pequeñas (ya que de todos modos las pérdidas serán pequeñas) y elevada resistencia mecánica, así es que se encuentran construcciones con cables de aluminio acero, o con "alumoweld", y en algunos casos se ha utilizado cable de acero.
Considérese que una red de este tipo implica en general funcionamientos muy desequilibrados, por lo que independientemente de otras razones no es adecuado alimentar este tipo de red directamente de bornes de un alternador.
5.5 - REDES MALLADAS - LÍNEAS DOBLES
Cuando la red es en cables las fallas no son fugaces sino permanentes, y para mantener el suministro ante fallas de un cable es necesario que exista otra posibilidad de alimentación, la línea deberá ser doble, o el sistema deberá ser mallado de manera de permitir que cada punto sea alimentado desde dos lugares distintos.
Este mismo criterio se utiliza también cuando la densidad de las líneas aéreas es tal que lo permite.
Con las líneas aéreas en la red de distribución si bien se crean mallas, la forma de trabajo de la red es siempre radial, este criterio permite una gran simplicidad de las protecciones.
En las redes en cables, en cambio, se acepta en algunos casos la complicación que requieren las protecciones, al tratar de trabajar con la línea alimentada desde dos puntos o con la malla cerrada.
La red mallada más simple es la formada por dos líneas paralelas, cada centro de carga puede estar conectado a cualquiera de las dos líneas,
figura (5.5).1.Cuando una línea sale de servicio, todas las cargas se conectan a la línea que queda, esta operación puede ser automatizada, (con un sistema de transferencia de carga en cada centro).
Logicamente cuando ambas líneas pierden la alimentación la transferencia de carga debe quedar inhibida.
La operación económica del sistema es con ambas líneas en servicio y con la carga repartida.
En condición de emergencia una línea está obligada a llevar toda la carga, en condiciones térmicas y de caídas de tensión aceptables.
Los centros de carga pueden ser como un único transformador (cuando se definen sus fallas como "poco probables") y aceptándose que en tal caso toda la zona de influencia pierda la alimentación, o pueda ser alimentada desde la tensión menor.
Cuando los centros de carga son con dos transformadores unidos por interruptor de acoplamiento todos los elementos del sistema se encuentran normalmente en servicio.
La salida de una línea saca de servicio los correspondientes transformadores.
Al analizar los equipos de maniobras necesarios para distintas configuraciones de la red de distribución se observa que en la línea doble, con dos transformadores en cada centro, con solo dos interruptores en un extremo de ambas líneas permite un funcionamiento continuo con gran economía de equipamiento.
Logicamente la línea doble debe tener una probabilidad de falla de ambas líneas nula, ya que en caso contrario no podrá garantizarse la continuidad en forma aceptable,
figura (5.5).2.Se debe elegir entonces trazados distintos, y se presenta ventajosa la solución de cerrar la línea en anillo (bucle) saliendo de una estación y volviendo a ella.
En estos casos el anillo debe poder ser interrumpido en cada centro de manera de poder reparar el tramo de cable en el que se ha producido la falla,
figura (5.5).3.La separación del tramo fallado puede ser automatizada con adecuadas protecciones y relés.
La red puede ser puesta en paralelo tanto en alta tensión como en la baja tensión.
Esta forma de conexión es denominada "Banking".
La línea de media tensión alimenta a los primarios de todos los transformadores que están en paralelo a través de la distribución secundaria.
La distribución secundaria puede ser en línea, en anillo, o en red (mallada).
Una distribución en anillo secundario, con un sistema en anillo primario permite la realización de excelentes características de operación sin la complejidad que implica la malla secundaria.
Cuando se produce una falla en un tramo de la distribución de baja tensión, se separa el tramo de cable y el anillo secundario se transforma en un banking en línea.
La falla de un transformador implica su salida de servicio, y la carga que le corresponde es tomada por los restantes transformadores de la red que deben tener potencias comparables (no inferiores al 60 % del mayor).
Una falla en media tensión exige transferir todos los transformadores a otro alimentador.
La ventaja de este sistema sobre el radial son
- menores variaciones de tensión.
- menores caídas de tensión en las ramas.
- posibilidad de incrementos de cargas.
- repartición de sobrecargas.
- mejor utilización de la potencia instalada.
Las verificaciones que deben hacerse al concebir un proyecto de este tipo son particularmente las que se refieren a repartición de la carga.
- en condición normal.
- por pérdida de un transformador.
- por pérdida de un cable.
Un sistema de protección particularmente interesante en la baja tensión es con interruptores especiales con relé térmico "lento" y "rápido".
Por el térmico "lento" circula la corriente que entrega el transformador; este relé actúa sobre el interruptor de un cable.
El otro cable está protegido por un relé "rápido" y el correspondiente interruptor,
figura (5.6).1.La selectividad de las protecciones se debe lograr para fallas en cualquier punto del cable entre dos transformadores.
Dicha selectividad se logra tanto por diferencia entre los valores de corriente en juego en cada relé, como por los distintos tiempos de actuación.
Para una falla del lado del relé rápido este, por el que circula más corriente que en el lento, deberá actuar primero.
Cuando en cambio la falla está del lado contrario, la mayor corriente aportada por el transformador deberá producir la actuación más rápida del relé "lento".
De esto se deduce que los cables del anillo deberán tener una impedancia suficiente para reducir la corriente aportada por los cables a una fracción de la que corresponde al relé "lento".
Las fallas del transformador deben producir la actuación de ambos interruptores por máxima corriente; también el detector de temperatura del transformador debe producir la apertura de ambos interruptores.
Del lado de alta tensión es suficiente proteger con fusibles.
Este esquema de red también se realiza con fusibles de baja tensión, pero en este caso la protección no puede ser tan sofisticada.
En las redes con elevadísima densidad de cargas, que exigen continuidad, flexibilidad y tensión constante resulta interesante realizar una red de baja tensión densamente mallada.
En algunos nodos de la red, elegidos adecuadamente se instalan los transformadores que los alimentan,
figura (5.7).1.La red de media tensión es radial.
Los transformadores próximos están alimentados de distintas líneas radiales de manera que una salida de servicio de una línea no afecte a la red de baja tensión.
La red de baja tensión está formada por mallas de las que se derivan las líneas radiales que alimentan a los usuarios.
Una red así concebida no puede ser adecuadamente protegida solo con fusibles.
Los fusibles se utilizan en el lado de media tensión de los transformadores (a veces combinados con seccionadores bajo carga con relés de máxima corriente).
También en la red de baja tensión se instalan fusibles en todos los extremos de las ramas que forman las mallas.
Una falla en un cable de baja tensión, debido a las elevadísimas corrientes de cortocircuito en juego generalmente produce fusión del cable y autoextinción de la falla.
Las actuaciones de los fusibles generalmente son por razones térmicas (sobrecarga de la rama) y limitan la duración de la falla.
La protección del lado de baja tensión de los transformadores se realiza con un interruptor de apertura y cierre automático que debe cumplir las siguientes funciones.
- Aislar la red de baja tensión cuando se producen fallas en una rama de alta tensión, o en un transformador, y se detecta flujo inverso de energía.
- Abrir el interruptor, cuando se detecta aún débil flujo inverso de energía o corriente magnetizante del transformador alimentado desde la baja tensión.
Esta situación se presenta cuando el operador retira, del servicio una rama de la red de media tensión abriendo el interruptor que la alimenta, operación que se hace cuando la carga de la red es muy baja, para disminuir las perdidas en vacío del sistema.
- Cuando la tensión del lado transformador es menor que en la red de baja tensión no debe poderse cerrar el interruptor de baja tensión, en cambio cuando la tensión del lado transformador es mayor que en la red de baja tensión de manera que se asegura el flujo de energía del transformador hacia la red de baja tensión el cierre del interruptor debe producirse automáticamente.
Esta situación se presenta cuando el operador pone en servicio una rama de la red de media tensión para hacer frente a una mayor carga.
- Cuando se producen fluctuaciones de carga que crean condiciones que podrían dar lugar a actuación indebida el sistema debe ser insensibilizado.
Esta situación se presenta en los transitorios provocados por grandes motores.
El conjunto de elementos que satisfacen estas condiciones está formado por,
figura (5.7).2.- un relé direccional trifásico - con temporización.
- un relé de control del desfasaje.
- un relé de máxima corriente instantáneo.
El relé de control de desfasaje es el que permite el cierre cuando corresponde.
El relé de máxima instantáneo provoca la apertura cuando las inversiones de energía persisten el tiempo establecido por la temporización.
La operación de una red compleja, requiere conexión y desconexión de transformadores y alimentadores en momentos oportunos y en condiciones que dependen del estado de la red.
Es entonces importantísima la centralización de datos, que indica el estado general de la red y particular de sus distintos elementos, para permitir que un solo supervisor tome las medidas más adecuadas para el buen servicio.
La solución que evita la transmisión de órdenes de un operador a otro es el telecomando.
Adecuados trasductores convierten en señales para el tratamiento y posterior transmisión, la posición de los aparatos, las mediciones, y otras condiciones de interés.
Estos datos son codificados y transmitidos al centro de procesamiento.
La transmisión puede ser continua, pero la solución más económica es el envío de datos en respuesta a una interrogación del centro.
En el centro se poseen entonces los estados de las variables de la red, se pueden procesar estos datos, o bien en base a ellos directamente el operador toma las decisiones adecuadas.
Las órdenes del operador son trasmitidas a los equipos que las ejecutan.
No son entonces necesarios operadores en distintos lugares que toman decisiones y que deben consultarse continuamente.
Merece destacarse que en ciertos sistemas se controlan directamente los usuarios, es decir se llega a las últimas etapas de la distribución, esto sucede en los sistemas de calentamiento eléctrico del agua, que se desconectan en el horario del pico de carga aliviando en esa forma la red.
Las instalaciones de telecomando deben ser confiables, y esta cualidad está ligada a los siguientes factores:
- Tiempo medio entre fallas.
- Tiempo medio de reparación.
- Insensibilidad a disturbios eléctricos.
El tiempo medio entre fallas depende del número de componentes, de su vida media, de factores ambientales, del grado de utilización (relación carga de trabajo a carga nominal).
El tiempo medio de reparación depende de la estructura constructiva, para reducirlo se utilizan circuitos impresos en forma de tarjetas que se cambian con las de reserva.
Los disturbios eléctricos pueden ser sobre los vectores (onda portadora, líneas telefónicas etc.) o los cables de conexión (tableros, circuitos de alimentación).
Con códigos algebraicos de transmisión de datos la probabilidad de errores se reduce a mínimos admisibles, con lo que se logra insensibilización a disturbios sobre los vectores.
Los disturbios de los cables de conexión pueden ser ondas de impulsos de tensión que inducidas y propagadas por los cables que llegan al equipamiento, o disturbios electromagnéticos provocados por amplias espiras en las que circulan elevadas corrientes de falla a 50 Hz o impulsos de corriente de alta frecuencia.
Estos disturbios pueden además de alterar el normal funcionamiento producir fallas del equipamiento de comando, para evitar la entrada de estos disturbios se utilizan relés intermedios, filtros, cables blindados, y otros artificios que ayudan a evitar también la propagación de estos disturbios.