Cómo seleccionar un dispositivo de protección integrado por microordenador y cuál es su función en los equipos de conmutación de alta tensión
1. Selección y función de los dispositivos de protección integrados por microordenador
1.1 Selección de los dispositivos de protección integrados por microordenador
Para asegurar que un dispositivo de protección integrado por microordenador realice correctamente y con precisión sus tareas de protección relé, la selección durante el diseño debe considerar de manera integral la confiabilidad, el tiempo de respuesta, el mantenimiento y la puesta en marcha, así como las funciones adicionales.
La entrada de señales para los dispositivos de protección integrados por microordenador es la misma que en la protección relé tradicional: las señales de voltaje y corriente se introducen desde transformadores de potencial (PT) y transformadores de corriente (CT), se convierten por transmisores en señales estándar requeridas por el dispositivo de protección, se filtran para eliminar armónicos de bajo y alto orden y otras interferencias, y luego se convierten de analógicas a digitales mediante un convertidor A/D.
El CPU realiza cálculos sobre la entrada digital, compara los resultados con valores preestablecidos, toma decisiones y luego decide si activar una alarma o un salto. Para cumplir con los requisitos de confiabilidad, las señales de entrada de medición y protección son procesadas y emitidas por unidades de procesamiento independientes dentro del dispositivo. Esto asegura la precisión de la medición mientras proporciona un margen suficiente durante fallas severas. La confiabilidad general de ingeniería se satisface si el dispositivo no experimenta desbordamiento o saturación A/D cuando la corriente de falla alcanza 20 veces el valor normal.
1.2 Selección del tiempo de respuesta
El flujo de trabajo del software de un dispositivo de protección es generalmente como se muestra en la figura siguiente:
Se puede ver en el diagrama que el tiempo de respuesta de un dispositivo de protección está estrechamente relacionado con el software utilizado y el método de cálculo de las cantidades eléctricas, lo cual generalmente es desconocido para los usuarios.
Durante el diseño y la selección, solo podemos juzgar la calidad de un dispositivo de protección basándonos en tres indicadores: precisión de cálculo, tiempo de respuesta y carga computacional. Estos tres factores son mutuamente conflictivos: una mala precisión de cálculo y una pequeña carga computacional conducen a tiempos de respuesta más rápidos, mientras que una mayor precisión y una mayor carga computacional resultan en respuestas más lentas. Generalmente, para los usuarios finales de una red eléctrica, establecer la carga computacional a más de 3 veces, la precisión de cálculo superior al 0,2% y el tiempo de respuesta máximo menor a 30 ms es suficiente para cumplir con los requisitos típicos de tiempo de respuesta en ingeniería.
1.3 Selección de otras funciones
Los dispositivos de protección integrados contienen numerosos circuitos integrados, requiriendo un alto nivel de experiencia técnica para su mantenimiento. Durante la selección, priorice dispositivos con hardware modular y estandarizado, permitiendo que las fallas de hardware se resuelvan simplemente reemplazando módulos, mejorando así la eficiencia del trabajo. Además, el dispositivo de protección debe tener un módulo EPROM incorporado, permitiendo que todos los valores de configuración se almacenen digitalmente. El personal de campo puede entonces recuperar fácilmente estas configuraciones para la puesta en marcha del equipo sin necesidad de reprogramar.
Para integrarse con el sistema de monitoreo automático del proyecto en su totalidad, el dispositivo de protección debe tener capacidades de comunicación, permitiendo la formación fácil de redes a través de buses de datos y permitiendo la transmisión de información post-salto al sistema de monitoreo automático superior.
2. Relación entre los dispositivos de protección integrados y los sistemas de control automatizados de planta
Basándose en la configuración y los requisitos de comunicación del sistema de control automatizado de la planta, el sistema de automatización para los dispositivos de protección integrados por microordenador generalmente se divide en tres capas: la capa de interruptor, la capa de subestación y la sala de control central.
2.1 Capa de interruptor
La capa de interruptor consta de varios tipos de dispositivos de protección integrados por microordenador, instalados directamente en los interruptores. Cada dispositivo maneja directamente las señales de medición, protección y control para su respectivo gabinete. Las funciones específicas son las siguientes:
(1) Gabinete de línea de entrada
Funciones de protección: sobrecorriente instantánea, sobrecorriente con retardo.
Funciones de medición: corriente trifásica, voltaje trifásico, potencia activa/reactiva, energía activa/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 accidente, señales de advertencia, estado de apertura/cierre, fallo del dispositivo, grabación de fallas, etc.
(2) Gabinete de transformador
Funciones de protección: sobrecorriente instantánea, sobrecorriente con retardo, sobrecarga inversa de tiempo, falla de tierra unifásica, salto por gas pesado.
Funciones de medición, monitoreo y control: iguales que en el gabinete de línea de entrada.
Funciones de alarma: salto por accidente, gas ligero, alarma de temperatura, señales de advertencia, estado de apertura/cierre, fallo del dispositivo, grabación de fallas, etc.
(3) Gabinete de barra colectora
Funciones de protección, monitoreo y control: iguales que en el gabinete de línea de entrada.
Funciones de alarma: salto por accidente, fallo del dispositivo, grabación de fallas, etc.
(4) Gabinete de motor
Funciones de protección: sobrecorriente instantánea, sobrecorriente con retardo, sobrecarga, falla de tierra unifásica, baja tensión, sobrecalentamiento.
Funciones de medición: corriente trifásica, voltaje trifásico, potencia activa/reactiva, energía activa/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 accidente, señales de advertencia, estado de apertura/cierre, fallo del dispositivo, grabación de fallas, etc.
Después de la adquisición de datos en sus respectivos interruptores, 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 considerablemente 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 deben ser transmitidas a la sala de control central a través del Ethernet industrial de la planta, y los comandos de control de la sala de control central deben ser recibidos y enviados a los dispositivos de protección. La capa de subestación generalmente consta de computadoras de control industrial, impresoras y monitores. Sus principales funciones incluyen la configuración y gestión de los dispositivos de protección de los interruptores, 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.
Debido a la confidencialidad de los fabricantes sobre el software y los métodos de cálculo eléctrico de sus dispositivos de protección, la capa de subestación también debe manejar 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 los interruptores y la subestación puede usar una red de bus MODbus, que admite hasta 64 estaciones esclavas. Se utiliza aislamiento óptico entre la red de comunicación y los dispositivos para prevenir interferencias externas. La comunicación entre la subestación y la sala de control central utiliza un Ethernet industrial con medios de fibra óptica, con una tasa de comunicación mayor a 1 Mbps.
2.4 Software
El software del sistema puede utilizar plataformas de vanguardia con arquitecturas de estándares internacionales, como Windows NT. Los módulos de software deben incluir: software de control maestro, 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 maestro debe tener un alto grado de modularidad. Una alta modularidad permite al personal de campo llamar al software según las condiciones del sitio sin programación adicional, reduciendo significativamente la carga de trabajo operativa y de mantenimiento para los despachadores y personal de mantenimiento, y mejorando la eficiencia del trabajo.
3. Consideraciones adicionales
Además, se deben tener en cuenta los siguientes problemas durante la selección de hardware para los dispositivos de protección integrados por microordenador:
Usar un gabinete sellado y reforzado resistente a vibraciones fuertes e interferencias, con un tamaño compacto de instalación, adecuado para entornos hostiles y montaje en panel.
Usar una estructura de doble CPU de grado industrial, con cada dispositivo conteniendo un CPU principal y un CPU de comunicación. Los dos CPUs trabajan en un modo de inspección mutua para mejorar el tiempo de respuesta y la precisión, prevenir mal funcionamiento o falta de operación, y aumentar la estabilidad y confiabilidad.
Compensación automática de temperatura en todo el rango, lo que 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, satisfaciendo tanto los requisitos de precisión como los de rango de protección y confiabilidad.
Usar un circuito de muestreo de frecuencia dedicado para seguir con precisión la frecuencia de la red, haciendo que los cálculos de cantidades eléctricas sean más precisos.
Usar aislamiento óptico para la entrada/salida digital y cables blindados para el cableado interno del gabinete, previniendo eficazmente las interferencias externas y mejorando la capacidad de anti-interferencia del dispositivo.
Usar una pantalla LCD de gran tamaño y teclado suave para una visualización numérica más clara y una operación más fácil.
Después de la puesta en marcha y operación, los diversos valores de configuración de protección se almacenan digitalmente en EPROM, permitiendo su recuperación inmediata después de la puesta en marcha o reparación de fallas en el circuito.
Equipado con un circuito de operación de interruptor completamente funcional, adecuado para controlar diversos tipos de interruptores, facilitando la renovación de la subestación.
Tiene capacidades completas de análisis de accidentes, incluyendo registros de eventos de acción de protección, registros de señales de cantidad eléctrica fuera de límites y grabación de fallas.
4. Rol de los dispositivos de protección integrados por microordenador en los interruptores de alta tensión
Los dispositivos de protección por microordenador protegen contra condiciones anormales en los circuitos. Sus roles en los interruptores de alta tensión incluyen:
Los dispositivos de protección por microordenador poseen poderosas capacidades de procesamiento de datos, cálculo lógico y almacenamiento de información, con arquitecturas internas avanzadas. Ofrecen funciones de protección completas equivalentes a la protección relé convencional. Al recibir señales de componentes de medición como transformadores de corriente y voltaje, el dispositivo puede monitorear, controlar y proteger el estado del circuito, como la protección contra cortocircuitos, sobrecargas y fallas de tierra unifásicas.
Sin dispositivos de protección, los interruptores de alta tensión utilizan relés para lograr estas funciones de protección. La protección moderna por microordenador proporciona funcionalidades mejoradas, como el control remoto fácil, la comunicación con sistemas superiores para transmitir datos de corriente, voltaje, potencia y energía, y la ajuste conveniente de los valores de protección.
