¿Qué papel desempeña un dispositivo de protección integrado por microordenador en el equipo de conmutación de alta tensión y cómo seleccionarlo?
Papel y Selección de Dispositivos de Protección Integrados por Microordenador en Aparamenta de Alta Tensión
En los últimos años, la aplicación de dispositivos de protección integrados por microordenador en proyectos de sistemas de distribución de energía de media y alta tensión ha aumentado significativamente. Estos dispositivos son fáciles de usar y superan las desventajas de la protección por relés tradicional, como el cableado complejo, la baja fiabilidad y los procedimientos de ajuste y depuración engorrosos. Los dispositivos de protección integrados por microordenador cuentan con funciones de autodiagnóstico completas, lo que facilita enormemente la detección y puesta en marcha.
Una vez detectada una anomalía, la unidad central de procesamiento (CPU) ordena al generador de señales emitir las señales acústicas y visuales de alarma correspondientes. Además, se pueden implementar fácilmente diversas funciones auxiliares, como imprimir información de fallos y registrar el tiempo de acciones de protección después de un evento. Numerosos fabricantes producen estos dispositivos, cada uno ofreciendo productos con diferentes funcionalidades y configuraciones de hardware, lo que dificulta elegir el dispositivo de protección integrado más adecuado.
I. Selección de Dispositivos de Protección Integrados por Microordenador
Para garantizar que los dispositivos de protección integrados por microordenador cumplan correctamente y con precisión sus tareas de protección por relés, la selección durante la fase de diseño debe basarse en una evaluación integral de la fiabilidad, el tiempo de respuesta, la facilidad de mantenimiento y puesta en marcha, y las funciones adicionales.
1.1 Fiabilidad de los Dispositivos de Protección Integrados por Microordenador
La entrada de señal para los dispositivos de protección integrados por microordenador es la misma que para la protección por relés tradicional: las señales de voltaje y corriente se introducen desde transformadores de tensión (VTs) y transformadores de corriente (CTs), se convierten por transductores en señales estándar requeridas por el dispositivo de protección y se filtran para eliminar armónicos de bajo y alto orden y otras señales de interferencia. Los convertidores analógico-digital (A/D) luego transforman las señales analógicas en señales digitales. La CPU realiza cálculos sobre la entrada digital, las compara con valores preestablecidos, toma decisiones y decide si activar una alarma o un salto.
Para cumplir con los requisitos de fiabilidad, las señales de entrada de medición y protección se procesan y se emiten por unidades de procesamiento independientes dentro del dispositivo. Esto asegura una alta precisión de medición y proporciona un margen suficiente durante fallos severos. El dispositivo no debe experimentar desbordamiento o saturación A/D cuando la corriente de la señal de fallo alcanza 20 veces el valor normal, lo que generalmente satisface los requisitos de fiabilidad para aplicaciones de ingeniería típicas.
1.2 Tiempo de Respuesta de los Dispositivos de Protección Integrados por Microordenador
Durante el diseño y la selección, la calidad de un dispositivo de protección solo puede juzgarse según tres indicadores: precisión de cálculo, tiempo de respuesta y carga de cálculo. Estos tres factores son mutuamente contradictorios: una menor precisión de cálculo y una menor carga de cálculo conducen a tiempos de respuesta más rápidos, mientras que una mayor precisión y una mayor carga resultan en tiempos de respuesta más lentos. Generalmente, para los usuarios finales de la red eléctrica, la carga de cálculo debe ser mayor de 3 veces, la precisión de cálculo debe ser superior al 0,2% y el tiempo de respuesta máximo debe ser inferior a 30 ms para cumplir con los requisitos típicos de tiempo de respuesta en ingeniería.
1.3 Selección de Otras Funciones de los Dispositivos de Protección Integrados por Microordenador
Los dispositivos de protección integrados contienen numerosos chips integrados, requiriendo un alto nivel de conocimientos técnicos para su mantenimiento. Durante la selección, se deben preferir dispositivos con hardware modular y genérico, permitiendo resolver fallos de hardware simplemente reemplazando módulos, mejorando así la eficiencia del trabajo.
Además, el dispositivo de protección debe tener un módulo EPROM incorporado, lo que permite almacenar todos los valores de ajuste de forma digital. El personal de campo puede recuperar fácilmente estos ajustes para la puesta en marcha del equipo sin necesidad de volver a escribir datos. Para integrarse con el sistema de monitoreo automatizado global del proyecto, el dispositivo de protección debe tener capacidades de comunicación, permitiendo la formación de redes a través de buses de datos y la transmisión de información de acciones al sistema de monitoreo automatizado superior.
2. Relación entre los Dispositivos de Protección Integrados y el Sistema de Control Automático de Planta
Basándose en la configuración y los requisitos de comunicación del sistema de control automático de planta, el sistema de automatización para dispositivos de protección integrados por microordenador se divide típicamente en tres capas: la capa de aparamenta, la capa de subestación y la sala de control central.
2.1 Capa de Aparamenta
La capa de aparamenta consta de diversos tipos de dispositivos de protección integrados por microordenador, instalados directamente en la aparamenta. Cada dispositivo maneja directamente las señales de medición, protección y control para su respectivo gabinete. Las funciones específicas son las siguientes:
(1) Gabinete de Entrada
Funciones de Protección: Salto instantáneo por sobrecorriente, salto por sobrecorriente con retardo.
Funciones de Medición: Corriente trifásica, voltaje trifásico, potencia activa y reactiva, energía activa y reactiva.
Funciones de Monitoreo: Posición abierta/cerrada del interruptor.
Funciones de Control: Apertura/cierre manual (en gabinete), apertura/cierre remoto.
Funciones de Alarma: Salto por fallo, señales de advertencia, apertura/cierre, fallo del dispositivo, registro de fallos, etc.
(2) Gabinete de Transformador
Funciones de Protección: Salto instantáneo por sobrecorriente, salto por sobrecorriente con retardo, sobrecarga inversa, fallo de tierra en una fase, salto por gas pesado.
Funciones de Medición, Monitoreo y Control: Igual que el gabinete de entrada.
Funciones de Alarma: Salto por fallo, gas ligero, alarma de temperatura, señales de advertencia, apertura/cierre, fallo del dispositivo, registro de fallos, etc.
(3) Gabinete de Barras
Funciones de Protección, Monitoreo y Control: Igual que el gabinete de entrada.
Funciones de Alarma: Salto por fallo, fallo del dispositivo, registro de fallos, etc.
(4) Gabinete de Motor
Funciones de Protección: Salto instantáneo por sobrecorriente, salto por sobrecorriente con retardo, sobrecarga, fallo de tierra en una fase, baja tensión, sobrecalentamiento.
Funciones de Medición: Corriente trifásica, voltaje trifásico, potencia activa y reactiva, energía activa y reactiva.
Funciones de Monitoreo: Posición abierta/cerrada del interruptor.
Funciones de Control: Apertura/cierre manual (en gabinete), apertura/cierre remoto.
Funciones de Alarma: Salto por fallo, señales de advertencia, apertura/cierre, fallo del dispositivo, registro de fallos, etc.
Después de la adquisición de datos en su respectiva aparamenta, los dispositivos de protección transmiten los datos a través de un bus a la computadora de monitoreo en la capa de subestación. Este sistema reduce significativamente los cables de control, acorta el tiempo de puesta en marcha en el sitio y mejora la eficiencia del trabajo.
2.2 Capa de Subestación
Muchas señales de la subestación necesitan ser transmitidas a la sala de control central a través de la Ethernet industrial de la planta, y la subestación recibe señales de la sala de control central para emitir comandos de control a los dispositivos de protección. La capa de subestación suele consistir en computadoras de control industrial, impresoras y monitores. Sus principales funciones incluyen la configuración y gestión de los dispositivos de protección integrados de la aparamenta, el monitoreo de la operación del sistema, la creación y gestión de la base de datos de la subestación y la comunicación con la sala de control central.
Dado que los fabricantes mantienen en secreto el software y los métodos de cálculo eléctrico de los dispositivos de protección, la capa de subestación también debe encargarse de la conversión de protocolos de comunicación para facilitar la transmisión y recepción de señales entre la sala de control central y los dispositivos de protección.
2.3 Red de Comunicación
La comunicación entre la aparamenta y la subestación puede utilizar una red de bus MODbus, que admite hasta 64 estaciones esclavas. Se utiliza aislamiento óptico entre la red de comunicación y los dispositivos para evitar interferencias externas. La comunicación entre la subestación y la sala de control central utiliza una Ethernet industrial con medio de fibra óptica, con una tasa de comunicación superior a 1 Mbps.
2.4 Software
El software del sistema puede utilizar plataformas de uso común con arquitecturas de estándares internacionales, como Windows NT. Los módulos de software deben incluir: software de control principal, software gráfico, software de gestión de bases de datos, software de generación de informes y software de comunicación.
Al seleccionar software, el software de control principal debe tener un alto grado de modularidad. Una alta modularidad permite al personal de campo llamar fácilmente al software según las condiciones del sitio sin programación adicional, reduciendo considerablemente la carga de trabajo operativa y de mantenimiento para los despachadores y personal de mantenimiento, y mejorando la eficiencia del trabajo.
3. Aspectos a Tener en Cuenta al Seleccionar Hardware para Dispositivos de Protección Integrados por Microordenador
Además, se deben tener en cuenta los siguientes aspectos al seleccionar el hardware para los dispositivos de protección integrados por microordenador:
Usar un chasis sellado y reforzado resistente a vibraciones fuertes e interferencias, con un tamaño de instalación compacto adecuado para entornos duros y montaje en gabinetes.
Adoptar una estructura de doble CPU de grado industrial, con cada dispositivo conteniendo una CPU principal y una CPU de comunicación. Las dos CPUs trabajan en modo de verificación mutua, mejorando el tiempo de respuesta y la precisión del dispositivo, evitando mal funcionamiento o falta de funcionamiento, y aumentando la estabilidad y la fiabilidad.
Compensación automática de temperatura en todo el rango permite que el dispositivo opere a largo plazo en entornos de -20°C a +60°C.
Las señales de medición y protección se procesan por separado dentro del dispositivo, cumpliendo con los requisitos de precisión y el rango y la fiabilidad de protección.
Usar un circuito de muestreo de frecuencia dedicado para rastrear con precisión la frecuencia de la red, haciendo que los cálculos de magnitudes eléctricas sean más precisos.
Usar aislamiento óptico para señales de entrada y salida digitales, y cables blindados para el cableado interno del gabinete, previniendo efectivamente las señales de interferencia externa y mejorando la capacidad de anti-interferencia del dispositivo.
Usar una pantalla LCD de gran tamaño y un teclado suave para una visualización numérica más clara y una operación más fácil.
Después de la puesta en marcha y operación, los valores de ajuste para varios modos de protección se almacenan de forma digital en EPROM, permitiendo una fácil recuperación después de la depuración o reparación de un fallo en el circuito.
Incluir un circuito de control de interruptores completo adecuado para controlar diversos tipos de interruptores, facilitando las actualizaciones de la subestación.
Tener capacidades completas de análisis de accidentes, incluyendo registros de eventos de acción de protección, registros de exceso de límite de señales de magnitudes eléctricas y registro de fallos.
4. El Papel de los Dispositivos de Protección Integrados por Microordenador en la Aparamenta de Alta Tensión
Los dispositivos de protección por microordenador protegen los circuitos contra condiciones anormales. Sus roles en la aparamenta de alta tensión son los siguientes:
Los dispositivos de protección por microordenador poseen fuertes capacidades de procesamiento de datos, operación lógica y almacenamiento de información, con una arquitectura interna avanzada. Ofrecen las funciones de protección completas de la protección por relés convencional. Al recibir señales de componentes de medición como transformadores de corriente y transformadores de tensión, el dispositivo puede monitorear, controlar y proteger el estado del circuito. Esto incluye protección contra cortocircuitos, sobrecargas, fallos de tierra en una fase, etc. Sin un dispositivo de protección, estas funciones en una aparamenta de alta tensión se logran utilizando relés. Con la protección por microordenador, se disponen de funciones adicionales, como la fácil aceptación de control remoto, la comunicación con el sistema superior para transmitir señales de corriente, voltaje, potencia y energía del circuito, y el ajuste conveniente de los valores de protección.
