Solución de Protección de Alimentadores con Relés Basados en Microprocesador para Redes de Distribución Inteligentes Modernas

1. Introducción y desafíos principales​
   La creciente integración de recursos energéticos distribuidos (DERs) (como la energía fotovoltaica y eólica) en las redes de distribución, junto con la creciente demanda de los usuarios de fiabilidad y seguridad del suministro eléctrico, plantea serios desafíos a los esquemas de protección de alimentadores tradicionales. Esta solución está diseñada para abordar los siguientes tres desafíos principales:

• ​Peligros de arco eléctrico:​​ Los cortocircuitos internos en equipos como los cuadros de distribución pueden desencadenar arcos eléctricos altamente destructivos, que amenazan la seguridad de los equipos y el personal, lo que exige una respuesta extremadamente rápida del sistema de protección.
• ​Fallas a tierra de alta impedancia:​​ Especialmente las fallas a tierra monofásicas que ocurren en áreas rurales o regiones con alta resistividad del suelo, caracterizadas por corrientes de falla bajas, son difíciles de detectar de manera confiable mediante la protección de sobrecorriente cero secuencia tradicional, lo que supone un riesgo de fallo de la protección.
• ​Impacto de la integración de los Recursos Energéticos Distribuidos (DERs):​​ La integración de los DERs altera la dirección del flujo de potencia y las características de la corriente de cortocircuito en las redes de distribución, lo que puede causar mal funcionamiento de la protección (falso disparo) o fallo de operación, e introduce el riesgo de isla no intencionada.

Esta solución, basada en relés de protección avanzados basados en microprocesador e integrando múltiples algoritmos innovadores, proporciona una protección de alimentador integral, rápida y confiable para las redes de distribución modernas.

​2. Detalles de la solución​
Nuestro relé de protección de alimentador adopta un diseño modular, integrando las siguientes funciones de protección central para abordar los desafíos mencionados.

​2.1 Módulo de Protección contra Arco Eléctrico Multibanda (AFP)​

• ​Principio Técnico:​​ Utiliza una tecnología de detección multibanda propietaria, monitoreando simultáneamente la intensidad de luz (mediante sensores de arco de luz dedicados) y la tasa de cambio de corriente (di/dt). Se confirma una falla como un arco eléctrico solo cuando se cumplen ambas condiciones – "señal de arco de luz intensa" Y "característica de sobrecorriente de alta velocidad (>10 kA/ms)" – (operación lógica AND). Este doble criterio evita eficazmente el mal funcionamiento causado por fuentes de luz externas o sobrecorrientes de conmutación.
• ​Ventaja de Rendimiento:​​ Cuenta con velocidades de operación ultra rápidas, diseñadas para minimizar la energía del arco eléctrico.
• ​Caso de Aplicación:​​ Después de su implementación en el sistema de distribución de media tensión de un gran centro de datos, este módulo logró un tiempo total de eliminación de fallas de menos de 4 milisegundos, representando un aumento de velocidad de más de tres veces en comparación con los esquemas de protección basados únicamente en corriente, reduciendo significativamente el riesgo de daño al equipo.

​2.2 Módulo de Protección contra Fallas a Tierra de Alta Sensibilidad y Baja Corriente​

• ​Principio Técnico:​​ Utiliza el método de admitancia cero secuencia. Este método implica la medición en tiempo real y precisa de la tensión cero secuencia del sistema (3U₀) y la corriente cero secuencia (3I₀), calculando el valor de admitancia correspondiente. Este algoritmo es relativamente insensible a las variaciones en la corriente de falla a tierra capacitiva del sistema, distinguiendo eficazmente entre la corriente capacitiva normal y la corriente resistiva inducida por la falla, identificando así con precisión fallas a tierra de alta impedancia con valores de resistencia de hasta 1 kΩ o superior.
• ​Ventaja de Rendimiento:​​ Soluciona el problema de insuficiente sensibilidad en los esquemas de protección tradicionales durante fallas a través de resistencias de transición altas, reduciendo significativamente los riesgos de descargas eléctricas y incendios.
• ​Caso de Aplicación:​​ En un proyecto piloto dentro de una red rural (caracterizada por una corriente de falla a tierra capacitiva alta y niveles de aislamiento de línea desiguales), la aplicación de esta tecnología aumentó la tasa general de detección de fallas a tierra del 65% con esquemas tradicionales al 92%, mejorando significativamente la seguridad del suministro de energía.

​2.3 Módulo de Protección Anti-Islandia Adaptativa​

• ​Principio Técnico:​​ Para abordar el riesgo de islandia introducido por la integración de los DERs, este módulo combina métodos de detección pasiva y activa.
• ​Monitoreo Pasivo:​​ Monitorea continuamente parámetros anormales en el Punto de Conexión Común (PCC), como la desviación de frecuencia de tensión (Δf > 0.5 Hz) y el salto de ángulo de fase (Δφ > 10°).
• ​Determinación Activa:​​ Cuando los indicadores de monitoreo pasivo superan los umbrales establecidos, incorpora métodos activos como el Desplazamiento de Frecuencia Activa para confirmar rápidamente una condición de islandia.
• ​Ventaja de Rendimiento:​​ Asegura la desconexión rápida de los DERs en un período de tiempo muy corto (< 200 ms, conforme a los requisitos del código de red) después de que ocurra la islandia, evitando peligros para el equipo de la red y el personal de mantenimiento debido a la operación no intencionada en isla.
• ​Caso de Aplicación:​​ Validado en un proyecto de microred que contiene múltiples matrices de paneles solares, este módulo anti-islandia logró una tasa de precisión del 99.7%. Efectivamente previene la islandia mientras minimiza los viajes innecesarios causados por perturbaciones normales de la red, mejorando así la tasa de utilización de los recursos energéticos distribuidos.

​3. Resumen de Valor Principal​
Esta solución de protección basada en microprocesador, al integrar múltiples algoritmos inteligentes, logra:

• ​Mayor Seguridad:​​ Maximiza la protección del personal y los equipos a través de la protección contra arcos eléctricos a nivel de milisegundos y la protección contra fallas a tierra de ultra alta sensibilidad.
• ​Alta Fiabilidad:​​ Aborda eficazmente las complejidades introducidas por la integración de los DERs, identificando con precisión las condiciones de islandia y las fallas de alta impedancia, eliminando los "puntos ciegos" de la protección.
• ​Restauración Rápida:​​ Permite la eliminación rápida de fallas, facilitando la autocuración rápida de la red, reduciendo la duración de las interrupciones y mejorando la fiabilidad del suministro de energía.