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Protección de Interconexiones de Generadores de IPPUsando Tecnología Digital

Autor y Expositor: Charles J. MozinaBeckwith Electric Co., Inc.

Gerente de Aplicaciónes, Productos y Sistemas de Protección6190-118th Ave. North, Largo, FL 33773-3724 U.S.A.

Tel. (727) 544-2326 Fax (727) 546-0121E-mail: [email protected]

IntroducciónMucha de la nueva capacidad de generación con que se contará en el nuevo milenio se alcanzará

construyendo instalaciones de IPP (Independent Power Producer = Productor Independiente deEnergía Eléctrica). Dichas instalaciones pueden consistir en pequeñas unidades generadoras dispersas,o en plantas de gran capacidad de propiedad de (y generalmente operadas por) personal ajeno a lasempresas eléctricas. Este artículo analiza los requisitos de protección para interconectar estos generadoresa los sistemas de las empresas eléctricas, así como los métodos para reconectar estos generadoresluego del disparo de la protección de la interconexión. El artículo comenta asimismo las limitacionesde los métodos actuales de protección de interconexiones en aspectos tales como el respaldo delsistema de generación durante perturbaciones importantes en el sistema de la empresa eléctrica.

Es necesario proteger los generadores de IPP no sólo contra los cortocircuitos, sino contra lascondiciones anormales de operación. Muchas de estas condiciones anormales pueden ser impuestasen el generador de IPP por el sistema de la empresa eléctrica. Algunos ejemplos de dichas condicionesanormales: sobreexcitación, sobrevoltaje, corrientes desequilibradas, frecuencia anormal y esfuerzotorsional del eje debido al recierre automático de un interruptor de la empresa eléctrica. Al estarsometidos a estas condiciones, los generadores pueden, en pocos segundos, sufrir daños o fallacompleta. Los daños a las máquinas debidos a estas causas son una gran preocupación de lospropietarios de generadores de IPP.

Las empresas eléctricas, por su parte, se preocupan porque la instalación de generadores de IPPpuede resultar en daños a sus equipos o a los equipos de sus clientes. Los generadores pequeñosdispersos están conectados al sistema de la empresa eléctrica en los niveles de distribución ysubtransmisión. Estos circuitos de la empresa eléctrica están diseñados para alimentar cargas radiales.La introducción de generadores constituye una fuente indeseada de redistribución de corrientes decarga y de falla, así como una posible fuente de sobrevoltaje. Por lo general no se permite laoperación en isla [con formación o fraccionamiento en islas] de generadores de IPP dispersos concargas de la empresa eléctrica externas al sitio del IPP, por dos razones importantes:

1. La empresa eléctrica debe restaurar los circuitos interrumpidos, y este esfuerzo se complicamucho cuando hay generadores en isla con cargas de la empresa eléctrica. El recierre automáticoes generalmente el primer método que se intenta para restaurar energía eléctrica a los usuarios.Al haber generadores en isla, se complica el recierre automático y también la conmutaciónmanual que requiere sincronizar el generador/carga en isla al sistema de la empresa eléctrica.

2. La calidad de la energía (los niveles de voltaje y frecuencia, así como las armónicas) puede noser mantenida por los generadores de IPP en isla al nivel ofrecido por la empresa eléctrica, loque puede resultar en daños a los equipos de los usuarios.

La protección de interconexiones correctamente diseñada debe atender los factores que preocupanal propietario del IPP así como a la empresa eléctrica - al menor costo posible. La función principalde la protección de interconexiones es evitar la formación de islas en el sistema detectando laoperación asincrónica de generadores dispersos — en otras palabras, deberá determinar si el generadorha dejado de operar en paralelo con el sistema de la empresa eléctrica. La detección y el disparodeberán ser lo suficientemente rápidos para permitir el recierre automático en el sistema de laempresa eléctrica.

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Los grandes generadores de IPP están por lo general conectados a sistemas de transmisión deempresas eléctricas. En la mayoría de los casos, las configuraciones unifilares del sistema y de laprotección son idénticas a las de los generadores de la empresa eléctrica. Cuánto mayor sea elgenerador, más probable será que esté integrado al sistema de la empresa eléctrica bajo las mismasreglas que los generadores de la misma. Estos grandes generadores pueden proporcionar respaldo degeneración a la empresa eléctrica durante perturbaciones importantes en el sistema. Para los IPPsgrandes y medianos se requiere telemetría, que proporciona a la empresa eléctrica información básicasobre la operación del generador. Cuanto mayor sea el generador, más información va a requerir laempresa eléctrica.

La tecnología disponible para ofrecer protección a los IPP ha evolucionado desde los reléselectromecánicos de función única a los relés estáticos (electrónicos) y ahora a los relés digitales. Laaparición de las tecnologías de microprocesadores de bajo costo ha posibilitado desarrollar los relésdigitales de multifunción, que combinan numerosas funciones de protección en un conjunto único derelés. Esta tecnología de relés ofrece ventajas de importancia sobre los antiguos relés electromecánicosy estáticos. Este artículo enfatiza el uso de dicha tecnología para ofrecer protección de interconexiones.Los otros tópicos específicos a tratar son los siguientes:

Breve Historia de la Generación de IPP en los Estados UnidosInfluencia del PURPAEstado actual de la generación de IPPTecnología de microturbinas

Protección de Interconexiones versus Protección de GeneradoresGrandes Generadores de IPP

Configuraciones de transformadores de interconexiónDiagramas unifilares de interconexiones

Pequeños Generadores de IPP DispersosImportante impacto de las conexiones de transformadores de interconexión sobre los requisitos deprotecciónSobrevoltajes transitorios producidos por IPPs en los sistemas de distribución de las empresaseléctricas y medidas atenuantesMétodos de detección de operaciones asincrónicas de IPPs con sistemas de las empresas eléctricasLimitaciones de los procedimientos actuales para permitir a los generadores de IPP dispersosproporcionar respaldo de generación durante perturbaciones de gran magnitud en el sistemaProcedimientos de restauración automática y recierre automático de las empresas eléctricas

Métodos y Procedimientos de Protección de Interconexiones de Pequeños Generadores DispersosDetección de la pérdida de operación en paralelo con la empresa eléctricaDetección de contraalimentación de fallasDetección de condiciones perjudiciales en el sistemaFlujo de potencia anormalRestauración

Uso de la Tecnología Digital para la Protección de InterconexionesVentajas de esta tecnologíaFuncionalidad seleccionable por el usuarioAutodiagnósticoCapacidad de comunicacionesCapacidad oscilográfica

Breve Historia de la Generación de IPP en los Estados UnidosHasta los últimos años de la década del 70, las empresas eléctricas no estaban obligadas a comprar la

energía eléctrica generada por entes ajenos a las empresas eléctricas dentro de sus áreas de servicio. Sinembargo, existían industrias, tales como las de la pulpa y el papel y la siderúrgica, así como las instalacionespetroquímicas, que contaban en sus instalaciones eléctricas con generación de IPP interna y queoperaban en paralelo con el sistema de la empresa eléctrica. Estos “cogeneradores” producíanelectricidad a partir de fuentes de calor, como ser los vapores originados en procesos fabriles.

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Típicamente, estos generadores alimentaban parte de la carga en dichas instalaciones industriales ysuministraban energía de emergencia a las mismas durante interrupciones del servicio de la empresaeléctrica.

Luego del embargo petrolero de principios de la década de 1970, el gobierno federal estadounidensedecidió que las fuentes de energía convencionales, especialmente el petróleo y el gas, debían ser conservadasde modo de reducir nuestra dependencia de fuentes extranjeras. El gobierno federal deseaba promover lageneración de electricidad mediante fuentes de combustible renovables usando generadores ajenos a lasempresas eléctricas. Ello hizo que se pasara el Public Utility Regulatory Policies Act (PURPA) [Ley sobreNormas Regulatorias de Empresas de Servicios Públicos] de 1978. El PURPA exigió a las empresas eléctricas,por primera vez, que se interconectaran con IPPs calificados y que adquieran electricidad a un costo quereflejara el costo ahorrado por la empresa eléctrica al no tener que generar una magnitud equivalente deelectricidad por sí misma.

Para recibir los beneficios del PURPA, el IPP debía calificar el sitio de generación propuesto ya seamediante autocalificación o por certificación de FERC (Federal Energy Regulatory Commission) [ComisiónFederal Reguladora de la Energía]. La autocalificación era el método de aprobación más fácil ya que sólorequería una carta a FERC documentando que las instalaciones propuestas cumplían con los requisitos deelegibilidad del PURPA. Si bien la intención del PURPA era conservar recursos de petróleo y de gas, ciertascláusulas en la ley permitían que tales combustibles fueran usados como combustible primario por lasQualified Facilities (QF) [Instalaciones Calificadas]. El gas natural, en particular, se convirtió en un com-bustible muy usado por las instalaciones IPP calificadas.

El PURPA creó también un segundo tipo de IPP, el generador ajeno a la empresa pública, cuyo úniconegocio era vender energía a la empresa eléctrica con fines de ganancia. En las décadas de 1980 y 1990, almenguar los márgenes de reserva en las empresas eléctricas, algunas de estas empresas comenzaron a invitara IPPs a suministrar capacidad adicional para sus sistemas. Dichas empresas eléctricas consideran a los IPPscomo una alternativa viable respecto a la construcción de sus propias plantas generadoras, evitando así laasignación de un monto considerable de su capital con ganancias inciertas—dadas las dificultades ocasionadaspor el proceso regulatorio.

En los 1990s, al haber una mayor desregulación de las empresas eléctricas, el rol de los IPPs se hizo aúnmás importante. Algunas empresas eléctricas decidieron convertirse en compañías de transmisión y/o distribucióny se deshicieron de sus sistemas de generación—adquiriendo desde entonces la energía eléctrica de los IPPs.Otras empresas eléctricas se dedicaron al negocio de los IPPs. El acceso más abierto a la transmisiónpermite a los IPPs en una determinada zona de servicio vender energía a empresas eléctricas fuera de dichazona. En algunos casos, las empresas eléctricas actúan como agentes comerciales de energía para facilitarestas ventas de energía eléctrica y beneficiarse con ellas. Los Independent Power Operators (IPOs) [Explotadoresde Energía Independientes] regionales, como los que hay en California y en Alberta, Canadá, cuentan con“tableros de anuncios computarizados” que ofrecen capacidad generadora disponible y precios en base horaria.Se listan las capacidades de generación disponibles tanto de las empresas eléctricas como de los IPPs.

Como los costos del gas natural han caído, hay un mayor interés en las pequeñas microturbinas dispersas.Algunos de estos generadores de imán permanente de alta velocidad utilizan turbinas de tecnología avanzadadesarrolladas originalmente para vehículos militares. Actualmente se fabrican en el rango de 20 a 200 KVA,y son conectadas al sistema eléctrico de clientes comerciales para “repartir la carga en picos de demanda”con la empresa eléctrica. El reparto en picos permite a la instalación comercial reducir sus cargos pordemanda. Algunos expertos de la industria piensan que las microturbinas tendrán un rol importante atendiendolas demandas de carga en el próximo milenio. Algunas empresas eléctricas, aprovechando las nuevas leyesdesregulatorias, están involucradas en la comercialización de generadores de microturbina dispersos. Con elcorrer del tiempo se comprobará si estos tipos de generadores dispersos serán una fuente de energía viablepara usuarios comerciales e incluso residenciales.

Los requisitos de protección de las interconexiones también han evolucionado a través de los años.En los 1980s, el IEEE participó en el desarrollo de recomendaciones y directivas para la interconexiónde generadores de IPP. La Norma ANSI/IEEE 1001-1988 [1] proporcionó las directivas básicas queadoptaron muchas empresas eléctricas. Hacia 1990, la mayoría de las empresas eléctricas de losEE.UU. había publicado directivas específicas para la conexión de pequeños generadores de IPP

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(generalmente de menos de 5 MW) a sus sistemas. Estas directivas casi siempre especifican proteccióncon relés de voltaje y frecuencia y requieren que los relés sean de “calidad [grado] tipo empresaeléctrica”—cumpliendo con las normas de diseño IEEE/ANSI C37.90. A través de los años, estosrelés han evolucionado de electromecánicos a estáticos, y finalmente a dispositivos de proteccióndigitales.

Protección de Interconexiones versus Protección de GeneradoresLa protección de interconexiones permite al IPP operar en paralelo con la red de la empresa

eléctrica. Típicamente, los requisitos de protección para conectar un IPP a la red son establecidos porcada empresa eléctrica específica. Estas normas cubren por lo general generadores de menor capacidad.Los generadores grandes se evalúan individualmente y por lo general se conectan al sistema detransmisión de la empresa eléctrica. Estos grandes generadores de IPP típicamente no requierenprotección específica de interconexión ya que están integrados al sistema de protección de laempresa eléctrica. Los pequeños generadores de IPP (de 5 MW o menos) habitualmente se conectana los sistemas de subtransmisión y distribución de la empresa eléctrica. Estos circuitos de la empresaestán diseñados para alimentar cargas radiales. Por ende, la incorporación del generador ofrece unafuente para redistribuir la corriente de falla y la carga del circuito alimentador, y es también unafuente potencial de sobrevoltaje. Típicamente, la protección de interconexiones para estos generadoresse establece en el punto de acoplamiento común entre la red de la empresa eléctrica y el IPP. Estepuede estar en el secundario del transformador de interconexión, como indica la Figura 1a, o en elprimario del transformador, como indica la Figura 1b, dependiendo de los requisitos de interconexiónde la empresa eléctrica y del propietario.

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Figura 1a Protección de Interconexión Típica Figura 1b Protección deInterconexión Típica

La protección de las interconexiones debe satisfacer los requisitos de la empresa eléctrica parapermitir que el generador sea conectado a la red. Su función es triple:

1. desconecta el generador cuando ha dejado de operar en paralelo con el sistema de la empresaeléctrica;

2. protege el sistema de la empresa eléctrica contra los daños ocasionados por la conexión delgenerador, incluyendo la corriente de falla que suministra el generador para fallas del sistema dela empresa y sobrevoltajes transitorios;

3. protege el generador contra daños producidos por el sistema de la empresa eléctrica, especialmentemediante el recierre automático.

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La protección del generador típicamente se conecta en los terminales del generador, tal como semuestra en la Figura 2.

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Figura 2 Típica Protección de Generador

La protección del generador permite detectar:

1. cortocircuitos internos del generador;2. condiciones anormales de operación (pérdida de campo, potencia inversa, sobreexcitación y

corrientes desequilibradas).En el caso de los pequeños generadores dispersos, la mayor parte de las empresas eléctricas de los

EE.UU. dejan a los propietarios de IPPs y sus consultores la responsabilidad de seleccionar el nivel deprotección del generador que ellos consideran apropiado. Sin embargo, las empresas eléctricas, están participandoactivamente en especificar la protección de interconexiones. Los siguientes aspectos de la interconexión sontípicamente especificados por las empresas eléctricas:

1. configuración de los devanados del transformador de interconexión;2. requisitos generales para relés de interconexión de calidad tipo empresa eléctrica;3. requisitos para CTs (transformadores de corriente) y VTs (transformadores de voltaje);4. requisitos de protección funcional — por ejemplo, 81O/U, 27 y 59;5. ajustes de algunas funciones de interconexión;6. velocidad de operación.

Grandes Generadores de IPPLos grandes generadores de IPP se conectan a los sistemas de transmisión de las empresas eléctricas.

Estos grandes generadores están típicamente “conectados en unidad”—esto es, el generador alimenta directamenteun transformador elevador de generador (GSU), que es un transformador conectado en triángulo [delta] conpuesta a tierra en estrella [Y] como indica la Figura 3. El generador está típicamente conectado a tierra dealta impedancia para limitar la corriente de falla a tierra del estator.

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Figura 3 Típico Generador de IPP Conectado en Unidad

Hoy en día, muchos de estos grandes generadores consisten en turbinas a gas “integradas” en elrango de 100-350 MW. En algunos casos, son parte de una planta de ciclo combinado donde hay otrogenerador de vapor instalado en el mismo sitio y el escape de la(s) turbina(s) de gas se usa paracalentar el vapor y aumentar así la eficiencia del ciclo térmico general. El generador de vapor estípicamente más pequeño que la(s) turbina(s) de gas y también está conectado en unidad. La protecciónde estos generadores es generalmente proporcionada por el complemento normal de la protección delgenerador, como lo describe la “IEEE Guide for AC Generator Protection” (Guía del IEEE para laProtección de Generadores de CA) [5].

La conexión de estos grandes generadores de IPP al sistema de la empresa eléctrica varíasubstancialmente. Cuanto mayor sea el generador, más probable será que se lo conecte al sistema detransmisión de la empresa eléctrica de igual manera que un equipo generador perteneciente a dichaempresa. Estos grandes generadores no utilizan relés de frecuencia y voltaje para detectar la pérdidade la operación en paralelo con la empresa eléctrica. Estos equipos están completamente integradosal sistema de protección de la empresa eléctrica mediante canales de telecomunicaciones. La Figura4 muestra una típica configuración unifilar de un generador de IPP de tamaño mediano con tomas auna línea de transmisión de la empresa eléctrica.

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GFigura 4 Generador de IPP con Tomas a una Línea de Transmisión

Hay tres esquemas de protección por piloto de terminales, así como de disparos de transferencia,que se usan frecuentemente para la protección de alta velocidad contra fallas de línea. El recierreautomático de interruptores de subestación puede ser supervisado por relés de bajo voltaje y decomprobación de sincronismo, como indica la Figura 13. Los grandes IPPs están conectados alsistema de la empresa eléctrica mediante líneas múltiples. La Figura 5 ilustra una configuración en“barra recta” que proporciona múltiples entradas al sistema de la empresa eléctrica.

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Figura 5 Interconexión en “Barra Recta”

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Otra configuración popular para grandes generadores de IPP consiste en la interconexión alsistema de la empresa eléctrica por medio de una subestación con un interruptor y medio o barra enanillo, como indica la Figura 6. La protección de estas diversas configuraciones unifilares es por logeneral idéntica a la protección que se emplearía si el generador fuera de propiedad de la empresaeléctrica.

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Figura 6 Interconexión con Barra en Anillo

Pequeños Generadores de IPP Dispersos

Tipos de Generadores PequeñosHay dos tipos tradicionales de pequeños generadores de IPP que operan interconectados con el sistema de

la empresa eléctrica. Ellos son los generadores de inducción y los generadores síncronicos [síncronos]. Lasmáquinas de inducción son típicamente pequeñas—de menos de 500 KVA. Estas máquinas son de tamañorestringido porque su excitación es provista por una fuente externa de VArs, como muestra la Figura 7a. Losgeneradores de inducción son similares a los motores de inducción y se arrancan como motor (no requierenequipo de sincronización). Los generadores de inducción son menos costosos que los generadores sincrónicosporque no tienen devanados [arrollamientos] de campo. Las máquinas de inducción pueden suministrarpotencia real (watts) a la empresa eléctrica, pero requieren una fuente de potencia reactiva (VArs) que enalgunos casos es proporcionada por el sistema de la empresa eléctrica.

Los generadores sincrónicos tienen un devanado de campo de CC que proporciona una fuente de excitacióna la máquina. Pueden ser una fuente de watts y de VArs para el sistema de la empresa eléctrica, comomuestra la Figura 7b, y requieren equipo de sincronización para la puesta en paralelo con la red eléctrica.Ambos tipos de máquinas requieren protección de interconexión. La protección de interconexión pertinentea los generadores de inducción por lo general requiere únicamente relés de sobre/bajo voltaje y de frecuencia.

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Figura 7a Generador de Inducción Figura 7b Generador Sincrónico

Los pequeños generadores de IPP de tipo no tradicional, especialmente los de nueva tecnología demicroturbina, son considerados cada vez más frecuentemente como una fuente de energía para elpróximo milenio. La mayoría de estas máquinas se conectan asincrónicamente al sistema de energíapor medio de Convertidores Estáticos de Potencia (SPCs). Estos SPCs on dispositivos tiristorizadoscontrolados por microprocesador que convierten voltaje de CA en una dada frecuencia en voltaje desistema de 60 Hz. El control electrónico digital del SPC regula la salida de potencia del generador ydetiene la máquina cuando el sistema de la empresa eléctrica no está disponible. No se determinó aúnsi es necesario contar con protección independiente para evitar la formación de islas en el sistema,pero está ello está siendo considerado por el Standards Coordinating Committee 21 (SCC-21) [ComitéCoordinador de Normas] del IEEE. Al ir aumentando el tamaño de estas máquinas, quizás se haránecesario considerar la protección independiente de las interconexiones. La Figura 7c muestra undiagrama unifilar típico para estos tipos de generadores.

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Figura 7c Generador Asincrónico

Principal Impacto de las Conexiones de Transformadores de Interconexión en la Protección de InterconexionesComo se ha mencionado en la sección anterior, la función principal de la protección de interconexiones es

desconectar el generador cuando ha dejado de operar en paralelo con el sistema de la empresa eléctrica. LosIPPs pequeños se conectan generalmente al sistema de la empresa eléctrica a nivel de distribución. En losEstados Unidos, los sistemas de distribución cubren un rango de 4 a 34.5 KV y son sistemas de 4 hilos conmúltiples conexiones a tierra. El uso de este tipo de sistema permite que los transformadores monofásicosmontados en poste, que típicamente constituyen la mayor parte de la carga del alimentador, sean clasificadospara voltaje de fase a neutro. Así, en un sistema de distribución de 13.8 KV, los transformadores monofásicosestarían clasificados a 13.8 KV/√ 3~8 KV. La Figura 8 muestra un circuito alimentador típico.

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Figura 8 Típico Circuito Alimentador de Distribución de 4 Hilos

Hay cinco conexiones de transformador que se emplean frecuentemente para interconectar generadoresdispersos al sistema de la empresa eléctrica. Cada una de estas conexiones de transformadores tiene susventajas y sus desventajas. La Figura 9 muestra varias posibles opciones y algunas de las ventajas y problemasrelativos a cada tipo de conexión.

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Figura 9 Conexiones del Transformador de Interconexión

Conexiones del Transformador de Interconexión en Triángulo (Prim.)/Triángulo (Sec.),Triángulo (Prim.)/Estrella Puesta a Tierra (Sec.) y Estrella no Puesta a Tierra (Prim.)/Triángulo (Sec.)

La principal preocupación relativa a un transformador de interconexión con devanado primario no puestoa tierra es que luego que el interruptor de subestación A dispare ante una falla a tierra en la localización F1,el sistema con múltiples conexiones a tierra no esté conectado a tierra, sometiendo al transformador montadoen poste clasificado como L-N (fase a neutro), en las fases sin falla, a un sobrevoltaje cercano al voltaje L-L(entre fases). Ello puede ocurrir si el generador de IPP está cerca de la capacidad de la carga en el alimentadorcuando el interruptor A dispara. Los sobrevoltajes resultantes van a saturar el transformador montado enposte, que normalmente opera en el codo de la curva de saturación, como indica la Figura 10.

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Figura 10 Curva de Saturación de Transformadores Montados en Poste

Muchas empresas eléctricas usan transformadores de interconexión sin puesta a tierra únicamentesi se experimenta una sobrecarga de 200% o más en el generador cuando el interruptor A dispara.Durante las fallas a tierra, este nivel de sobrecarga no permitirá que el voltaje en las fases sin falla seeleve en exceso del voltaje L-N normal, evitando la saturación del transformador montado en poste.Por esta razón, los devanados primarios sin puesta a tierra deberán por lo general reservarse parapequeños IPPs para los que se esperan sobrecargas de por lo menos 200% ante la formación de islas.

Conexiones del Transformador de Interconexión en Estrella Puesta a Tierra (Prim.)/Triángulo (Sec.)La principal desventaja de esta conexión es que proporciona una corriente de falla a tierra indeseada ante

las fallas del circuito de suministro en F1. Las Figuras 11a y 11b ilustran este aspecto para un circuito dedistribución típico.

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Figura 11a Diagrama Unifilar para un Figura 11bCircuito de Componentes Simétricos

Transformador de Interconexión para un Transformador deInterconexión

con Estrella Puesta a Tierra con Estrella Puesta a Tierra(Prim.)/Triángulo (Sec.) (Prim.)/Triángulo (Sec.)

El análisis del circuito de componentes simétricos en la Figura 11b indica también que aún cuando elgenerador de IPP está fuera de la línea (el interruptor del generador está abierto), la corriente de falla a tierraseguirá siendo proporcionada al sistema de la empresa eléctrica si el transformador de interconexión del IPPpermanece conectado. Este será el caso habitual, ya que la protección de la interconexión típicamente disparael interruptor del generador. El transformador en el sitio del IPP actúa como un transformador de puesta atierra con corriente de secuencia cero circulando en los devanados del secundario en triángulo. Además deestos problemas, la corriente de carga desequilibrada en el sistema, que antes de añadirse el transformadordel IPP retornaba a tierra a través del neutro del transformador de subestación principal, ahora se divideentre los neutros del transformador del IPP y de la subestación. Esto puede reducir la capacidad de conducciónde carga del transformador del IPP y puede crear problemas cuando la corriente del alimentador está desequilibradacomo consecuencia de la operación de dispositivos de protección monofásicos, como ser los recerradores[reconectadores] de línea y fusibles. Si bien la conexión del transformador en estrella puesta a tierra/triángulose usa generalmente para grandes generadores conectados al sistema de transmisión de la empresa eléctrica,la misma presenta algunos problemas de importancia cuando se usa en sistemas de distribución de 4 hilos.Al considerar su posible uso, la empresa eléctrica deberá evaluar éstos aspectos.

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Conexiones del Transformador de Interconexión en Estrella Puesta a Tierra (Prim.)/ Estrella Puesta a Tierra (Sec.)La principal preocupación respecto a un transformador de interconexión con devanados primarios y

secundarios puestos a tierra es que también proporciona una fuente de corriente a tierra indeseadaante fallas del alimentador de la empresa eléctrica, de modo similar a lo descrito en la secciónanterior. Asimismo, permite que los relés alimentadores de tierra con ajuste sensible en la subestaciónrespondan a las fallas a tierra en el secundario del transformador del IPP (F3). Las Figuras 12a y 12bilustran este aspecto mediante el análisis del circuito de componentes simétricos.

ConclusionesLa selección del transformador de interconexión juega un papel importante en establecer cómo va a

interactuar el IPP con el sistema de la empresa eléctrica. No hay una conexión “óptima” universalmenteaceptada. Todas las conexiones tienen sus ventajas y desventajas, que la empresa eléctrica deberá consideraren sus directivas de interconexión a los IPPs. Las selecciones de conexión del transformador ejercen asimismoun profundo impacto en los requisitos de protección de las interconexiones.

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Figura 12a Diagrama Unifilar para un Figura 12b Circuito de Componentes SimétricosTransformador de Interconexión para un Transformador de Interconexióncon Estrella Puesta a Tierra con Estrella Puesta a Tierra(Prim.)/Estrella Puesta a Tierra (Sec.) (Prim.)/Estrella Puesta a Tierra (Sec.)

Métodos y Procedimientos de Protección de Interconexiones de Pequeños Generadores DispersosLos niveles funcionales de la protección de interconexiones varían substancialmente dependiendo de

factores como: tamaño del generador, punto de interconexión con el sistema de la empresa eléctrica (distribución

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o transmisión), tipo de generador (de inducción, sincrónico, asincrónico) y configuración del transformadorde interconexión (ver la sección previa de este artículo). Como se muestra en la Tabla 1, se pueden listar losobjetivos específicos de un sistema de protección de interconexiones así como los requisitos funcionales delrelé para lograr cada objetivo.

Tabla 1 Áreas de la Protección de InterconexionesObjetivo de la Protección Función de Protección a Usarde InterconexionesDetección de la pérdida de operación en 81O/U, 81R*, 27/59, 59I, TT**paralelo con el sistema de la empresa eléctrica

Detección de contraalimentación de fallas Fallas de Fase: 51V, 67, 21Fallas a Tierra: 51N, 67N, 59N, 27N

Detección de condiciones perjudiciales 47, 46en el sistema

Detección de flujo de potencia anormal 32

Restauración 25

* Tasa de cambio

** Disparo de Transferencia

Detección de la Pérdida de Operación en Paralelo con el Sistema de la Empresa EléctricaEl medio más básico y universal de detectar la pérdida de operación en paralelo con la empresa eléctrica,

consiste en establecer una “ventana” de sobre/baja frecuencia (81O/U) y sobre/bajo voltaje (27/59) dentro dela cuál se le permite operar al generador de IPP. Cuando el generador de IPP está “en isla” con el sistema dela empresa eléctrica, debido ya sea a una falla o a otra condición anormal, la frecuencia y el voltaje saldráncon rapidez fuera de la ventana de operación si existe una diferencia significativa entre los niveles de lacarga y el generador de IPP.

En algunas aplicaciones de cogeneración, tales como las de la industria petroquímica y las de la pulpa y elpapel, se utilizan relés de tasa de cambio de la frecuencia (81R) para poder detectar más rápidamente lapérdida del suministro de la empresa eléctrica. La función 81R separa de la empresa eléctrica las instalacionesde la planta. En muchos casos, se produce internamente el rechazo de cargas por baja frecuencia en la plantay las cargas críticas son aisladas y alimentadas por los generadores de IPP de la planta.

Si la carga y el generador están casi en equilibrio al momento de la separación, el voltaje y la frecuenciapueden permanecer dentro de la ventana de operación normal y puede no producirse el disparo por baja/sobrefrecuencia y sobre/bajo voltaje. De existir esta posibilidad, quizás se necesite contar con disparo detransferencia (TT) usando un medio confiable de comunicación. Cuando los generadores de inducción estánen isla con capacitores montados en poste y la capacidad del generador es cercana a la de la carga en isla,puede ocurrir una condición resonante que produzca un sobrevoltaje no sinusoidal [5]. Para estos casos, sepuede utilizar un relé de sobrevoltaje instantáneo (59I) que responda a picos de sobrevoltaje para permitirdetectar esta situación.

Cuando se detecte la pérdida de operación en paralelo, el generador de IPP deberá ser separado delsistema de la empresa eléctrica con rapidez suficiente para permitir el recierre automático del interruptor enla subestación de la empresa eléctrica. El recierre de alta velocidad del sistema de la empresa eléctrica puedeocurrir tan pronto como en 15 a 20 ciclos luego del disparo del interruptor. La empresa eléctrica deberáindicar al propietario del IPP la velocidad de separación que se requiere.

El uso de relés de baja frecuencia en conjunción con la necesidad de separar el generador de IPPantes del recierre del interruptor de la empresa eléctrica, impide a la mayor parte de los pequeñosgeneradores de IPP dispersos suministrar energía de respaldo a la empresa eléctrica duranteperturbaciones importantes en el sistema. Cuando la frecuencia decrece a causa de una perturbaciónimportante en el sistema, estos generadores disparan quedando fuera de línea. Quizás sea posible

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reducir los ajustes de baja frecuencia cumpliendo con los requisitos del Consejo de Confiabilidadregional, pero generalmente no se puede extender el tiempo de disparo requerido excediendo eltiempo para recierre automático. Este problema del sistema se hará más crítico si el porcentaje degeneración total en el sistema suministrado por pequeños generadores dispersos aumenta en lospróximos diez años, como lo predicen algunos expertos en la industria.

Si se extienden los tiempos de disparo por baja frecuencia, quizás resultará necesario modificar elmétodo de recierre de subestación, utilizando supervisión del voltaje de fuente conjuntamente conrecierre con comprobación de sincronismo. Este tipo de esquema, indicado en la Figura 13, ofreceseguridad contra el recierre previo a la desconexión del generador de IPP.

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* Puede requerir detección de ángulo y de deslizamiento


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Figura 13 Esquema de Subestación de la Empresa Eléctrica

La Figura 14 muestra un típico esquema básico de sobre/bajo voltaje y sobre/baja frecuencia enuna pequeña instalación de IPP. Estas funciones de protección pueden todas incluirse en un sólo relédigital de multifunción.

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Figura 14 Típica Protección de Interconexión de un Generador Pequeño

Detección de Contraalimentación de FallasEn muchos generadores pequeños de IPP, no se proporciona por lo general detección de contraalimentación

de fallas. Los generadores de inducción suministran tan sólo dos o tres ciclos de corriente de falla para lasfallas externas, similarmente a los motores de inducción.

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Las pequeñas máquinas sincrónicas están generalmente tan sobrecargadas luego que dispara elinterruptor de subestación de la empresa eléctrica, que su contribución de corriente de falla es muybaja. Para estos pequeños generadores, la detección de la pérdida de operación en paralelo por mediode los relés 81O/U y 27/59 es toda la protección de interconexión que se necesita.

Cuanto mayor sea el generador de IPP, mayor es la posibilidad que contribuirá una magnitudsignificativa de corriente a una falla del sistema de la empresa eléctrica. Para cubrir ésta situación, seproporciona detección de contraalimentación de fallas además de la protección contra pérdida deoperación en paralelo. Debe reconocerse que cuanto más prolongado sea el tiempo en que el generadorestá sometido a una falla, menor será la corriente que el generador sincrónico proporciona a la falla.La Figura 15 muestra la curva de decremento del generador. El nivel de corriente de falla a diversosintervalos luego de producirse la falla depende de las reactancias del generador (Xd", Xd'). La rapidezde decaimiento depende de las constantes de tiempo del campo del circuito abierto (Tdo", Tdo').

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Figura 15 Curva de Corriente de Cortocircuito del Generador

Al desarrollar un sistema de protección con supresión de contraalimentación, es necesario considerarel decaimiento de la corriente ante fallas externas. Típicamente, se emplean funciones de relé talescomo la 67, la 21 o la 51V para detección de la contraalimentación de fallas de fase. Al establecer losajustes para los relés 67 y 21, el ajuste de arranque del relé deberá definirse excediendo el nivel decorriente de generación que el IPP está suministrando al sistema de la empresa eléctrica. Algunasempresas eléctricas supervisan un relé de sobrecorriente controlado con restricción de voltaje (51V)junto con la función 67 para incrementar la sensibilidad del arranque.

La supresión de la contraalimentación de fallas a tierra depende de la conexión del devanadoprimario del transformador de interconexión. Para devanados de transformador con primario conectadoa tierra se utiliza un relé de sobrecorriente de neutro 51N, o en algunos casos, un relé direccional detierra 67N. Las Figuras 16 y 17 muestran una típica protección de interconexiones para instalacionescon transformadores de interconexión con devanado primario conectado a tierra.

Para los transformadores de interconexión no puestos a tierra, los relés de sobrevoltaje de neutro(59N, 27N) proporcionan la detección de fallas a tierra del suministro. Los VTs (transformadores devoltaje) que alimentan estos relés tienen sus devanados primarios conectados fase a tierra. Estosdevanados primarios están generalmente clasificados para pleno voltaje entre fases. Muchas empresaseléctricas utilizan conexiones de transformadores de voltaje utilizando un sólo VT con relés 59N y27N o tres VTs conectados en configuración de triángulo abierto. La Figura 18 exhibe una protección

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de interconexión típica para un IPP con configuración de transformador de interconexión no puesto atierra.

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Supresión deContraalimentaciónde Fallas

CondicionesPerjudiciales

Flujo dePotenciaAnormal Pérdida de Paralelo

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del tamaño del IPP

Disparo deTransferencia **

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Figura 16 Protección Típica para un IPP de Tamaño Mediano con Transformador deInterconexión con Estrella Puesta a Tierra (Prim.)

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Figura 17 Protección Típica Alternativa para un IPP de Tamaño Mediano conTransformador de Interconexión con Estrella Puesta a Tierra (Prim.)

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Figura 18 Protección Típica para un IPP de Tamaño Mediano con Transformador deInterconexióncon (Prim.) no Puesta a Tierra

Detección de Condiciones Perjudiciales en el SistemaLas condiciones de corriente desequilibrada producidas por conductores abiertos o inversiones de fase en

el circuito de suministro de la empresa eléctrica pueden someter al generador de IPP a un alto nivel decorriente de secuencia negativa. Esta alta corriente de secuencia negativa resulta en un rápido calentamientodel rotor, lo que provoca daños en el generador de IPP. Muchas empresas eléctricas proporcionan la proteccióncontra estas corrientes desequilibradas como parte del conjunto de protección de interconexiones, utilizandoun relé de sobrecorriente de secuencia negativa (46). Para ofrecer protección contra inversiones de fasedebidas al “intercambio de fases” inadvertido luego de la restauración de la potencia, se utiliza también unrelé de voltaje de secuencia negativa (47). Estas funciones se exhiben en las Figuras 16, 17 y 18.

Flujo de Potencia AnormalAlgunos contratos de interconexión entre IPPs que cogeneran y empresas eléctricas prohiben al IPP

suministrar potencia a la empresa eléctrica. El IPP cogenerador suministra potencia únicamente a la cargalocal en las instalaciones del IPP y reduce los costos de demanda de la empresa eléctrica mediante la“reducción de picos de demanda” (peak shaving). El procedimiento frecuente de las empresas eléctricasconsiste en instalar un relé de potencia direccional (32) para disparar el generador del IPP si se producenflujos inadvertidos de potencia al sistema de la empresa eléctrica durante un período predeterminado detiempo, en violación del contrato de interconexión. Las Figuras 16, 17 y 18 ilustran este tipo de detección deflujos de potencia anormales.

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Procedimientos de Disparo/Restauración del IPPUna vez que el generador del IPP ha sido separado del sistema de la empresa eléctrica luego que haya

operado la protección de la interconexión, será necesario restaurar dicha interconexión. Hay dos procedimientosde disparo/restauración del IPP que se usan mucho en la industria. El primer método de restauración (caso 1)se utiliza en aplicaciones donde la generación en las instalaciones del IPP no cubre la carga local. En estoscasos, la protección de la interconexión generalmente dispara los interruptores del generador del IPP, comoindica la Figura 19. Al restaurarse el sistema de la empresa eléctrica, los generadores del IPP típicamenteson resincronizados en forma automática. Muchas empresas eléctricas requieren un relé de comprobación desincronismo (25) en el principal interruptor de entrada para supervisar el recierre, como medida de seguridadpara evitar el cierre no sincronizado. El relé de comprobación de sincronismo por lo general está equipadocon lógica de bajo voltaje de barra muerta [inactiva] para permitir el recierre desde el sistema de la empresaeléctrica ante una condición de barra muerta en las instalaciones del IPP.

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Figura 19 Restauración luego de un Disparo en la Interconexión—Caso 1

El segundo método de restauración (caso 2) se utiliza donde el generador de IPP cubre aproximadamentela carga local. En estos casos, la protección de la interconexión dispara el interruptor principal de llegada(interruptor A) como se muestra en la Figura 20. A menudo, las instalaciones del IPP pueden contar internamentecon rechazo [separación] de cargas por baja frecuencia, tal como es el procedimiento en las instalacionespetroquímica y de pulpa y papel, para adaptar la carga local a la generación de IPP disponible luego de laseparación de la empresa eléctrica. Para resincronizar las instalaciones del IPP al sistema de la empresaeléctrica, se requiere un relé de comprobación de sincronismo más sofisticado, que mide no sólo el ángulode fase (∆θ) sino el deslizamiento (∆F) y la diferencia de voltaje (∆V) entre los sistemas de la empresaeléctrica y del IPP. Típicamente, dichos relés supervisan el recierre manual local y remoto.

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Figura 20 Restauración luego de un Disparo en la Interconexión—Caso 2

Uso de la Tecnología Digital para Protección de InterconexionesLos modernos relés digitales de multifunción cuentan con diversas características que los hacen

ideales para la protección de interconexiones de generadores de IPP. Las más importantes de dichascaracterísticas son la funcionalidad seleccionable por el usuario, el autodiagnóstico, la capacidad decomunicaciones y el monitoreo oscilográfico.

Funcionalidad Seleccionable por el Usuario (“Selección Cuidadosa”)Como se ha indicado en este artículo, la funcionalidad de la protección de interconexiones varía mucho

según el tamaño del generador, el punto de interconexión al sistema de la empresa eléctrica, el tipo degenerador (de inducción o sincrónico) y la configuración del transformador de interconexión. Estas variableshacen que la funcionalidad seleccionable (“selección cuidadosa”) sea una característica de gran importancia.Dicha característica permite que la configuración específica del relé digital de multifunción sea controladapor el usuario, no por el fabricante. El costo es proporcional al nivel de funcionalidad que se requiera. Elusuario que adquiere un costoso conjunto de multifunción para interconexiones e inhabilita numerosas funcionesporque no son apropiadas para su aplicación específica, diluye las ventajas económicas de la protección tipomultifunción. Al utilizar un relé con las funciones básicas necesarias para la mayoría de las aplicaciones yhacer su selección adicional en una “biblioteca” de funciones opcionales, el usuario configura el equipo deprotección para la aplicación específica y minimiza su costo. La Figura 21 muestra una típica aplicación eninterconexiones que emplea este enfoque.

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Figura 21 Diagrama Unifilar de un Relé Digital de Multifunción para Interconexiones

AutodiagnósticoEl autodiagnóstico de un relé digital de multifunción permite la detección inmediata de fallas en el relé.

Si no se cuenta con protección de interconexiones, el generador de IPP así como el sistema de la empresaeléctrica pueden verse sometidos a condiciones perjudiciales tales como las corrientes de falla no detectadas,los sobrevoltajes y el alto esfuerzo torsional del eje del generador de IPP debido al recierre automático. Porestas razones, el autodiagnóstico adquiere cada vez mayor importancia. Muchas empresas eléctricas optanpor disparar el generador de IPP cuando falla el conjunto de protección de la interconexión, para evitar

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dichas condiciones perjudiciales. El autodiagnóstico da a la empresa eléctrica cierto grado de seguridadsobre el buen funcionamiento de la protección de la interconexión. Las antiguas tecnologías electrónicas oelectromecánicas no ofrecían este margen de seguridad.

Capacidad de ComunicacionesTodos los relés digitales de multifunción cuentan con puertos de comunicaciones. Por lo general son del

tipo RS-232, RS-485, o en algunos casos, conexiones de fibra óptica. La mayoría de los IPPs medianos ograndes están obligados a proporcionar a la empresa eléctrica datos telemétricos continuos sobre la operacióndel generador. Típicamente se les exige información tal como el estado (abierto o cerrado) de interruptoresclave de generación e interconexión, así como la salida instantánea en MW o MVAr del generador. Granparte de esta información puede obtenerse mediante el conjunto de relés de interconexión, eliminando lanecesidad de contar con transductores y medición adicional. Asimismo, la capacidad de interrogar al relé deprotección de interconexión desde un lugar remoto para determinar los eventos de operación del relé permitedisponer de información esencial para restaurar la unidad de IPP al servicio.

Monitoreo OscilográficoEl monitoreo oscilográfico de las entradas del relé (corrientes y voltajes) proporciona información sobre

la causa de la operación del relé de interconexión e indica si el relé ha funcionado de acuerdo a lo planeado.Como la protección de interconexiones se aplica en el punto de acoplamiento común entre la empresaeléctrica y las instalaciones del IPP, el monitoreo oscilográfico ofrece información valiosa sobre cuál es elsistema que ha provocado el disparo. La información oscilográfica ha permitido resolver desacuerdos entreempresas eléctricas y propietarios de IPPs sobre la causa de eventos de disparo específicos.

ConclusionesLa protección de interconexiones tendrá mucha mayor importancia en el próximo milenio, si se materializan

las predicciones de numerosos expertos en la industria. La protección de interconexiones bien diseñadadeberá atender los aspectos que preocupan a los propietarios de generadores de IPP así como a las empresaseléctricas. En este artículo se ha intentado resumir los puntos principales que las empresas eléctricas y lospropietarios de IPPs deben considerar al establecer requisitos de interconexión. Uno de los aspectos másimportantes y que se ignora con mayor frecuencia, es la configuración del transformador de interconexión.Esto juega un rol fundamental en la minimización del sobrevoltaje potencial en el sistema de la empresaeléctrica, así como en la determinación de los requisitos para la protección de la interconexión.

Los requisitos funcionales de la protección de interconexiones varían considerablemente. Los factoresque determinan los requisitos de la protección incluyen: el tamaño del generador, el punto de interconexióncon el sistema de la empresa eléctrica, el tipo de generador (de inducción o sincrónico), y los niveles decontraalimentación de fallas. Estas variables hacen que la funcionalidad seleccionable por el usuario o de“selección cuidadosa” sea una característica muy importante en los modernos relés digitales de multifunciónpara interconexiones. Además de la lógica de disparo se requiere restauración automática, que puede serincorporada en un conjunto de relés digitales para interconexión. Esperamos que los aspectos enfatizados eneste artículo sean de utilidad para las empresas eléctricas a la hora de evaluar sus procedimientos de interconexión.

Referencias[1] ANSI/IEEE Std. 1001-1988, “Guide for Interfacing Dispersed Storage and Generation Facilities

with Electric Utility Systems” (Guía para el Interfaz de Instalaciones Dispersas de Almacenamientoy Generación con Sistemas de Empresas Eléctricas).

[2] Donahue, K.E., “Relay Protection Interface and Telemetry Requirements for Non-Utility Genera-tors and Electric Utilities” (Requisitos de Telemetría e Interfaz de Relés de Protección para Generadoresno de Empresas Eléctricas y Empresas Públicas de Electricidad), 1998 Power Generation Confer-ence, Orlando, Florida.

[3] Mozina, C.J., “Protecting Generator Sets Using Digital Technology” (Protegiendo Grupos GeneradoresMediante Tecnología Digital), Consulting/Specifying Engineer Magazine, EGSA Supplement, No-vember 1997.

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[4] Feero, Gish, Wagner and Jones, “Relay Performance in DGS Islands” (Desempeño de losRelés en Islas de DGS”, IEEE Transactions on Power Delivery, January 1999.

[5] ANSI/IEEE C37.102-1995, “IEEE Guide for AC Generator Protection” (Guía del IEEE parala Protección de Generadores de CA).

[6] Yalla, Hornak, “A Digital Multifunction Relay for Intertie and Generator Protection” (Un ReléDigital de Multifunción para la Protección de Interconexiones y Generadores), Canadian ElectricalAssociation Conference, March 1992.

Acerca del AutorChuck Mozina es el Gerente de Aplicaciónes, Productos y Sistemas de Protección de Beckwith

Electric Co. Es responsable de la aplicación de productos y sistemas Beckwith que se utilizan enprotección de generadores y en esquemas de protección de interconexiones, sincronización y transferenciade barras.

Chuck es miembro activo del IEEE Power System Relay Committee (PSRC) (Comité sobre Relésde Sistemas de Energía Eléctrica del IEEE) y fue presidente del Rotating Machinery Subcommittee(Subcomité sobre Máquinas Rotativas). Es también miembro activo del comité IAS I&CPS delIEEE, que se ocupa de la protección de sistemas industriales. Chuck es el representante de EE.UU.al CIGRE Study Committee 34 on System Protection (Comité 34 de Estudios del CIGRE sobreProtección de Sistemas) y dirige un grupo de trabajo del CIGRE sobre protección de generadores.Ha dirigido también el equipo de trabajo del IEEE que produjo el instructivo “The Protection ofSynchronous Generators” (La Protección de Generadores Sincrónicos), que ganó el OutstandingWorking Group Award (Distinción al Grupo de Trabajo Sobresaliente) del PSRC en 1995. Chuckobtuvo en 1993 la distinción Career Service Award (Distinción al Servicio Profesional) del PSRC.

Chuck se graduó como Bachiller en Ciencias en Ingeniería Eléctrica en la Purdue University, y esautor de diversos ensayos y artículos en revistas sobre protección con relés. Tiene más de 25 años deexperiencia como ingeniero de protecciones en Centerior Energy, una importante empresa eléctricaprivada en Cleveland, Ohio, donde fue Gerente de la Sección de Protección de Sistemas. Se desempeñótambién como profesor en la Escuela de Graduados de Ingeniería Eléctrica en Cleveland StateUniversity y es un Ingeniero Profesional registrado en el estado de Ohio, EE.UU.

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