Deslastre Automatico de Cargas Por Baja Frecuencia

'(6/$675(�$8720È7,&2�'(�&$5*$6

325�%$-$�)5(&8(1&,$

3RZHU�(QFRXQWHUKWWS��SRZHUHQFRXQWHU�EORJVSRW�FRP

,QGLFH

,1',&(��,1752'8&&,21��

1.1 PERDIDA DEL EQUILIBRIO DE POTENCIAS .................................. 11.2 DESLASTRE DE CARGAS ................................................................... 1

1.3 SOBRECARGAS .................................................................................... 2

1.4 EJEMPLOS EN PEQUEÑOS SISTEMAS ............................................. 2

��&$5$&7(5,67,&$6�*(1(5$/(6�'(�)5(&8(1&,$�'(��816,67(0$ ��

2.1 VALOR FINAL DE LA FRECUENCIA ................................................ 4

2.2 NATURALEZA OSCILATORIA DE LA VARIACION DE

FRECUENCIA............................................................................................... 5

��$352;,0$&,21(6�0$7(0$7,&$6�'(�/$�9$5,$&,21�'(�)5(&8(1&,$ ��

3.1 PAR GENERADOR Y DE CARGA CONSTANTES............................ 7

3.2 PAR GENERADOR Y DE CARGA VARIABLES CON LA

FRECUENCIA.............................................................................................11

��(/(0(1726�48(�,1)/8<(1�(1�/$�&$5$&7(5,67,&$��'()5(&8(1&,$ ��

4.1 RELES DE POTENCIA ........................................................................15

��3/$1�'(�'(6/$675(�'(�&$5*$6 ��5.1 DETECCION DE LA PENDIENTE DE CAIDA DE LA FRECUENCIA20

5.2 DISEÑO DE UN PLAN DE DESLASTRE DE CARGAS...................21

5.3 OPTIMIZACION DEL DISEÑO ..........................................................25

5.4. PROCEDIMIENTO EJEMPLO ...........................................................26

��62%5()5(&8(1&,$�'(%,'$�$/�'(6/$675(�(;&(6,92��

Indice

��5(326,&,21�'(/�6(59,&,2��7.1 ESTADOS DEL SISTEMA...................................................................33

7.2 PLAN DE REPOSICION DEL SERVICIO..........................................34

7.3 FASES DE LA REPOSICION DEL SERVICIO..................................35

7.4 INFLUENCIA DE LOS SISTEMAS DE GENERACION...................36

��&$5$&7(5,67,&$6�'(�/26�6,67(0$6�'(�327(1&,$��(1�/$5(326,&,21��

8.1 EQUILIBRIO GENERACION-CARGA ..............................................37

8.2 SISTEMA DE CONTROL ....................................................................37

8.3 EQUILIBRIO DE POTENCIA REACTIVA ........................................38

8.4 TIPOS DE REPOSICION DE SERVICIO............................................39

8.5 PROBLEMAS EN LA REPOSICION DEL SERVICIO.....................40

��%,%/,2*5$),$��

6REUHIUHFXHQFLD�GHELGD�DO�GHVODVWUH�H[FHVLYR

'HVODVWUH�GH�FDUJDV

1

��,1752'8&&,21Las desviaciones de frecuencia son pequeñas en los grandes sistemas

conectados, al maximizarse la fiabilidad en el diseño en la industria eléctricapara ofrecer un buen servicio. No obstante, se presentan condiciones deoperación indeseables, como faltas, sobrecargas, paradas forzosas u otro tipode perturbaciones que pueden provocar que una zona se desconecte del restodel sistema, quedando con una capacidad de generación insuficiente. En estoscasos, puede justificarse la desconexión de cargas para preservar el servicio dela mayoría de los clientes.

��3(5','$�'(/�(48,/,%5,2�'(�327(1&,$6En la operación normal de un sistema de potencia se cumple en

régimen permanente la ecuación de equilibrio:

Σ Σ Σ3 � 3 � � 3JHQHUDGD F D SpUGLGDVDUJ �� (��)

Si el equilibrio se rompe la frecuencia del sistema cambiará, bajando sifuese por un exceso de demanda en un intento de arrastrar toda la carga, conuna disminución de la velocidad de las turbinas y de los generadores y unacaída de la tensión, despreciando el efecto de los reguladores. Estos tenderían aaumentar la potencia en el eje de la turbina, pero se ve limitado al 10% deincremento por el sistema de control de la caldera y el deterioro de la calidaddel vapor.

Si hay un exceso de generación aparecen sobrevelocidades, losreguladores de velocidad reducen la potencia en la turbina bajando lafrecuencia, y así se resuelve el desequilibrio al disminuir con la frecuencia lacarga. Esta situación puede llegar al cierre de válvulas y desacoplamiento degrupo.

��'(6/$675(�'(�&$5*$6En un sistema de carga resistiva, la caída de tensión reducirá la carga;

mientras que si la carga está compuesta por motores contribuirán a esta bajadatanto la reducción de tensión como de frecuencia. Esta corrección puederestaurar el equilibrio de potencias, pero no a la frecuencia original. Elfuncionamiento no es aceptable a tensión y frecuencia bajas, flujos máximos devapor en la turbina fuera de su punto de trabajo, y esfuerzos térmicos en líneasy transformadores.

El problema inmediato es llegar a un equilibrio antes de que lafrecuencia descendente afecte al comportamiento del resto del sistema



2

productivo, se tienen dos alternativas : aumentar la generación, o deslastrarautomáticamente carga por baja frecuencia.

La primera solución no puede conseguirse lo suficientemente rápidopara evitar la mayor caída de la frecuencia del sistema, o puede no haberadecuadas capacidades de generación y de transporte (margen de reservarodante suficiente). El deslastre automático de carga es un método rápido yeficaz para restaurar el equilibrio generación-carga, mediante la utilización derelés de baja frecuencia.

��62%5(&$5*$6La pérdida de una generación importante o de una línea importante de

interconexión, generalmente por cortocircuito lleva a un exceso de carga. Eltarado de los relés de mínima frecuencia deben deslastrar el mínimo de cargade forma rápida y automática.

��(-(03/26�(1�3(48(f26�6,67(0$6Grandes complejos industriales disponen de generación local por

cogeneración, dependiendo además del suministro de la compañía eléctrica através de una línea de interconexión.

La figura 1 ilustra un ejemplo de esta situación. Al cerrarse elinterruptor T de la línea de conexión con la compañía, se sobrecarga la red ylleva a una caída de la frecuencia. Normalmente en la planta industrial sedispone de relés de frecuencia para separar la carga no esencial al procesoproductivo, por ejemplo 1 y 2, considerando la carga 3 indispensable.

Existen aplicaciones en las que se combina el uso de relés direccionalesde potencia con relés de frecuencia, como en el caso de interconexión entrecompañías unidas por línea compraventa de energía en función de lasdisponibilidades en cada momento de cada una de ellas.

Según se ilustra en la figura 2, la compañía A suministra energíanormalmente a la B, por tener ésta un exceso de carga sobre su generacióndisponible, y por los acuerdos negociados se establecen los métodos deexplotación en condiciones de emergencia. Si el flujo de potencia P alcanzaseun valor que hiciera peligrar el suministro de A, o bien el relé de frecuencia dela compañía B detectarse una caída de la misma abriría los interruptores 1 ó 2para que desaparezca la sobrecarga, o bien dispararía el interruptor T activadopor el relé direccional de potencia.



3

)LJXUD�� ,QGXVWULD�FRQ�FRJHQHUDFLyQ��OtQHD�GH�FRQH[LyQ�D�OD�UHG

)LJXUD�� ,QWHUFRQH[LyQ�FRQ�UHOp��GLUHFFLRQDO�GH�SRWHQFLD�

&DUDFWHUtVWLFDV�JHQHUDOHV�GH�IUHFXHQFLD�GH�XQ�VLVWHPD


4

��&$5$&7(5,67,&$6�*(1(5$/(6�'(�)5(&8(1&,$�'(��81�6,67(0$

La disminución de frecuencia del sistema por la pérdida repentina degeneración, no se realiza nunca de forma brusca sino progresiva con una ciertapendiente, al no existir discontinuidad en la característica de frecuencia.

La pendiente inicial de caída de la frecuencia depende únicamente delvalor de la sobrecarga y de la inercia del sistema, se calcula:

( )5 S/ I I

+ II

=−

−

� �

��

��

�

�� (��)

Donde :

5�: pendiente de la variación de frecuencia

S�: factor de potencia estimado

/�: sobrecarga en p.u. = FDUJD � JHQHUDFLyQ

JHQHUDFLyQ (��)

I��: frecuencia inicial en el intervalo

I��: frecuencia final en el intervalo

+�: constante de inercia del sistema = + 09$

09$

� ��

�

��

�=

=

∑

∑

�

�

(��)

��9$/25�),1$/�'(�/$�)5(&8(1&,$A medida que baja la frecuencia, aumenta el par generador (o motor) y

baja el par de carga (o eléctrico), por lo tanto en total se tiene una reducción enel índice de bajada de la frecuencia.

Si se supone que no actúan los reguladores de velocidad, la frecuenciadel sistema se fijará en un valor por debajo del nominal, sin embargo este valorpuede ser superior si consideramos la actuación de los reguladores, y si el restode los generadores tiene alguna capacidad de reserva.

No se considerará la acción de los reguladores de velocidad de lasturbinas, ya que su capacidad para aumentar la potencia generada varia de unosa otros sistemas, según la reserva rodante, la sensibilidad del control y lasconstantes de tiempo del sistema.



5

��1$785$/(=$�26&,/$725,$�'(�/$�9$5,$&,Ï1�'()5(&8(1&,$

La naturaleza oscilatoria de la frecuencia del sistema se debe a lainteracción de los generadores interconectados.

Por ejemplo, en la figura 3 se ven las variaciones de frecuencia de tresnudos por la pérdida del 5% de generación. Sobre los 3 segundos el sistemaquedó aislado del resto de la red disminuyendo la frecuencia, antes no semuestra la variación de la frecuencia al ser despreciable. En este caso elsistema se recupera de la pérdida de generación y la frecuencia queda fijada en59.5 Hz (frecuencia nominal de 60 Hz).

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD� WLHPSR�IUHFXHQFLD� GHO� VLVWHPD� GHVSXpV� GHSHUGHU�XQ��GH�OD�JHQHUDFLyQ

En la figura 4 se representa la pérdida del 15% de la generación. Lafrecuencia baja rápidamente hasta producirse el deslastre de carga del 67% dela perdida en generación a los 2 segundos. Con esta medida se evitó una mayordisminución de la frecuencia, pero sin llevarla a su valor nominal.

En un sistema de tamaño considerable para la determinación analíticade las oscilaciones de frecuencia, hay que recurrir a complejos programas deestabilidad. Sin embargo, la variación media de la frecuencia para distintosvalores de pérdida de generación, se puede predecir y determinar con suficienteprecisión.



6

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD� WLHPSR�IUHFXHQFLD� GH� XQ� VLVWHPD� GHVSXpVGH�SHUGHU�XQ��GH�JHQHUDFLyQ

$SUR[LPDFLRQHV�PDWHPiWLFDV�GH�OD�YDULDFLyQ�GH�IUHFXHQFLD


7

��$352;,0$&,21(6�0$7(0$7,&$6�'(�/$�9$5,$&,21�'()5(&8(1&,$��3$5�*(1(5$'25�<�'(�&$5*$�&2167$17(6

Ecuaciones básicas

La relación que define la variación de la frecuencia con el tiempo sededuce a partir de la ecuación del movimiento de una máquina rotativa:

7 7 7 +I

GGWD J O= − = ⋅

πδ

�

�� (��)

Donde :

7D�: par neto acelerador en p.u.

7J�: par neto mecánico o generador en p.u

7O�: par eléctrico o de carga en p.u.

I��: frecuencia base

+�: constante de inercia del sistema

G�: ángulo eléctrico de desplazamiento

La velocidad de la máquina viene dada por:GGW Z � �I�δ

π+ = (��)

Donde :

I : frecuencia real

Z��:velocidad síncrona

Derivando (��) respecto del tiempo obtenemos:

GG�W � � GIGW

�

�δ

π= (��)

Y sustituyendo la ecuación (��) en (��), obtenemos la expresiónde la variación de la frecuencia con el tiempo:

GIGW 7 I

�+�

�

= (��)

9DULDFLyQ�OLQHDO�GH�OD�IUHFXHQFLDAl producirse una repentina pérdida de generación en el sistema que no

compensada con la disminución de carga, el par neto Ta es negativo(decelerador). Asumiendo que los pares generador Tg y de carga Tl permanecen



8

constantes durante la perturbación, la variación de la frecuencia con el tiempo

sigue una recta de pendiente: 7 I+D �� .

En la figura 5 se ve la variación de la frecuencia para una constantede inercia del sistema de H = 5 s, y con una sobrecarga según:

VREUHFDUJD (�) =FDUJD � UHVWR�GH�JHQHUDFLyQ

UHVWR�GH�JHQHUDFLyQ ��⋅

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD�WLHPSR�IUHFXHQFLD�HQ�XQ�VLVWHPD�FRQ�YDULRVJUDGRV� GH� VREUHFDUJD�� SDUHV� JHQHUDGRU� \� GH� FDUJDFRQVWDQWHV�

El efecto de variar la constante de inercia del sistema se refleja en lafigura 6 para dos niveles de sobrecarga distintos. A mayor valor de la constantede inercia H, menor es el índice de variación de la frecuencia. La característica



9

de recuperación de la frecuencia después del deslastre de carga, también sepuede obtener de la ecuación (��).

Por ejemplo, si se deslastra una cantidad de carga igual a lasobrecarga, el par neto Ta es cero, y la frecuencia permanece constante en elvalor anterior a que se separase la carga. Si la cantidad de carga deslastradafuera mayor que la sobrecarga, la frecuencia crecería de forma constante, y enel caso de que fuera menor continuaría bajando, pero a un índice menor. Losdistintos casos se muestran en la figura 7.

Si el deslastre se efectúa en pasos sucesivos, la variación de lafrecuencia es como aparece en el caso de la figura 8.

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD�WLHPSR�IUHFXHQFLD�HQ�XQ�VLVWHPD��HIHFWR�GHYDULDU� OD� FRQVWDQWH� GH� LQHUFLD� GHO� VLVWHPD�� SDUHVJHQHUDGRU�\�GH�FDUJD�FRQVWDQWHV�



10

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD�WLHPSR�IUHFXHQFLD�GH�XQ�VLVWHPD��HIHFWR�GHGHVODVWUDU�GLVWLQWDV�FDQWLGDGHV�GH�FDUJD�

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD�WLHPSR�IUHFXHQFLD�GH�XQ�VLVWHPD��HIHFWR�GHGHVODVWUDU�FDUJD�HQ�SDVRV�VXFHVLYRV�

Por lo tanto, la aproximación de suponer el par generador y el par decarga constantes, proporciona un método para determinar la variación de lafrecuencia aproximado y simple con unos resultados pesimistas, ya que esmayor la caída de frecuencia y peor su recuperación al deslastrar carga, que lasque ocurren realmente.



11

��3$5�*(1(5$'25�<�'(�&$5*$�9$5,$%/(6�&21�/$)5(&8(1&,$3DU�GH�FDUJD�HQ�IXQFLyQ�GH�OD�IUHFXHQFLD

En la ecuación (��) de variación de la frecuencia con el tiempo, elpar acelerador Ta es igual a la diferencia entre el par generador y el de carga, Tg

- Tl. Hasta ahora se ha supuesto que ambos pares permanecían constantesdurante la perturbación, pero en realidad dependen de la frecuencia.

El par eléctrico o de carga depende directamente de la frecuenciaelevado a una constante, comprendida entre 1 y 2 generalmente.

7 3I

.II .IO

O'

'�

�= = = −� �� (��)

Donde :

3O�: potencia de carga en p.u.

'O�: constante dependiente del tipo de carga

Para pequeñas variaciones de frecuencia:

∆ ∆ ∆7 G7GI I .�' ��I I��

�� ' ��

= = − − (��)

7 7 � 7 � ∆ (��y sustituyendo (��) y (��en (��) obtenemos :

( )7 .I . ' I I .I I 'IO

'O

' ' O� �= + − = +−

− − −� � � � � ��

∆ ∆

(��)

y (3.2.1) en (3.2.3)):

( )( )7O = + −7 ' IO O� � � (��)

Donde :

Tl0: par inicial en p.u.

Tl : par en p.u. después de un cambio en f'

f’ = ∆II : variación unitaria de frecuencia



12

3DU�PRWRU�HQ�IXQFLyQ�GH�OD�IUHFXHQFLD�El par motor depende inversamente de la frecuencia con la primera

potencia:

7 .I .IJ = = −� (��)

Siguiendo el mismo procedimiento de antes para pequeñas variacionesde frecuencia, se obtiene:

( )7 I� = −7�� (��)

9DULDFLyQ�GH�OD�IUHFXHQFLD�FRQ�HO�WLHPSREl efecto total de la variación de la frecuencia con el tiempo,

sustituyendo (��) y (��) en (��):

( )[ ]( )[ ]

��

�

�

� �

� � � �

� �

� � �

+ GIGW 7 7 7

7 I 7 ' I7 7 7 7 ' I

� �

�

� �

⋅ = = − =

= − − + −

= − − + −

� �

(��

También puede expresarse:

� � � ��+ GIGW ' I 7 7 7W J D⋅ + = − = (��

con

( )' 7 ' 7W J= + −� �� La solución de la ecuación diferencial (��) es:

′ = −

−

I 7' HDW

'+�

� ��

(��Se ha supuesto que la caída de frecuencia empieza en su valor nominal,

pero si fuese otro el punto inicial (después de deslastrar parte de carga) seemplearía la misma expresión. En este caso, el par acelerador debe decalcularse a partir de las ecuaciones que relacionan los pares generador y decarga con la frecuencia.



13

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD� WLHPSR�IUHFXHQFLD� GH� XQ� VLVWHPD� FRQGLVWLQWRV�JUDGRV�GH�JUDGR�GH�VREUHFDUJD

La función exponencial de la frecuencia se representa en la figura 9,considerando los pares dependientes de la frecuencia, para distintos valores desobrecarga, con: T1 = K f1.5. El índice de descenso de la frecuencia disminuyeal aumentar el par generador y disminuir la carga, fijándose la frecuencia en unvalor menor del nominal. Cuando se deslastra carga la recuperación de lafrecuencia también sigue una característica exponencial como se muestra en lafigura 10.

Si la carga deslastrada es igual al valor de la sobrecarga, la frecuenciaalcanzará su valor nominal, influyendo solamente en aumentar la rapidezcuanto mayor sea la constante de inercia. Esto se debe a que el par generadoraumenta más rápido que disminuye el par de carga, por lo tanto la frecuencia ala que se deslastra la carga es menor que la nominal, y la sobrecarga es inferiorque a frecuencia nominal.



14

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD� WLHPSR�IUHFXHQFLD� GH� XQ� VLVWHPD�� SDUHVJHQHUDGRU�\�GH�FDUJD�YDUtDQ�FRQ�OD�IUHFXHQFLD�

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD� WLHPSR�IUHFXHQFLD� GH� XQ� VLVWHPD�� SDUHVJHQHUDGRU�\�GH�FDUJD�YDUtDQ�FRQ�OD�IUHFXHQFLD�

Si se deslastra carga en escalones, la característica de la frecuenciasigue la figura 11. En la cual, la sobrecarga era del 20% y se deslastró en dospasos del 10% cada uno.

(OHPHQWRV�TXH�LQIOX\HQ�HQ�OD�FDUDFWHUtVWLFD�GH�IUHFXHQFLD


15

��(/(0(1726�48(�,1)/8<(1�(1�/$�&$5$&7(5,67,&$�'()5(&8(1&,$

Sería necesario un programa de estabilidad para un estudio más realistade las oscilaciones de frecuencia, sin aproximaciones matemáticas.

Estos programas tienen en cuenta un modelo preciso de losgeneradores, incluso subtransitorio, y de los reguladores de velocidad, asícomo la bajada de tensión por la caída de frecuencia. Se consideran los relés dedistancia y la saturación de los transformadores antes de actuar los relés de bajafrecuencia, causada por el aumento del flujo de reactiva, además de otros relésde protección.

��5(/(6�'(�327(1&,$Miden y detectan las variaciones de frecuencia, para una vez llegado el

caso, llevar a cabo el deslastre automático de cargas.

Para el deslastre de cargas se pueden clasificar en dos tipos principales,el relé estático SFF y el relé electromecánico de tipo CFF.

5HOp�HVWiWLFR�GHO�WLSR�6))Este relé estático de mínima frecuencia funciona de forma digital, y

básicamente consiste en un oscilador controlado por un cristal de cuarzosuministrador de pulsos de 2 MHz a un contador binario. Por medio de uncircuito lógico, el contador enumera los pulsos de 2 MHz que hay en unperíodo y determina la frecuencia.

Al fijar una frecuencia deberá haber un número de pulsos en cadaperíodo, si fuese menor se infiere que la frecuencia es superior a la establecida.Igualmente, si fuese mayor el número de pulsos, la frecuencia del sistemaestará por debajo de la prefijada; sin embargo, para la actuación del relé deberepetirse esto para un mínimo de tres ciclos consecutivos y un máximo de hasta80 ciclos. Esta temporización comienza de nuevo desde cero si la frecuencia serecupera durante algún ciclo.

Por lo tanto, su característica depende del ajuste por frecuencia (para 60Hz su rango va desde 54,2 hasta 60,8 Hz con incrementos de 0,05 Hz). Esterelé es muy estable y muy preciso, entorno a ±0,005 Hz entre -20 °C y +60 °Cde temperatura ambiente, y entre 42 y 140 V de tensión.

5HOp�HOHFWURPHFiQLFR�GHO�WLSR�&))En 1900 fue patentado por Steinmetz, comercializándose en 1921 con

disco de inducción lento, y ya en 1948 con disco de inducción rápido. Estos detipo CFF con disco de inducción de funcionamiento electromecánico son los



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que se aplican actualmente. No tan preciso ni estable como el de tipo SFF, seaplica al estar su característica ligada a la pendiente de la caída de frecuencia.También se ajusta por frecuencia. La figura 12 muestra el tiempo de actuaciónde dos relés CFF considerando la pendiente de caída de la frecuenciaconstante, condición no habitual.

El relé se ajusta para una frecuencia determinada. Sin embargo laactuación del relé es en función de las distintas pendientes de caída defrecuencia(siguiendo las curvas de frecuencia en función del tiempo deactuación). Estas curvas incluyen un tiempo de 6 ciclos del t de eliminación dela falta y un tiempo de 6 ciclos propio del relé.

)LJXUD� ��&DUDFWHUtVWLFD� WLHPSR�IUHFXHQFLD� GHO� UHOp� &))�� $FW~D� DODOFDQ]DU�OD�IUHFXHQFLD�GH�DMXVWH�GHO�UHOp�

&XUYDV�GH�IUHFXHQFLD�HQ�IXQFLyQ�GHO�WLHPSR�GH�DFWXDFLyQEn la figura 12, sólo se muestra el tiempo de actuación del relé. Si se

utiliza un programa de conservación de carga, debe tenerse en cuenta que labajada de frecuencia se corrige al desconectar la carga no imprescindible.

En la familia de curvas de la figura 13 se representa la frecuencia enfunción del tiempo desde el comienzo de la perturbación, para una serie dedistintas pendientes de caída de frecuencia. Entre las curvas se incluyen lacorrespondiente al tiempo total de eliminación de la falta , 6 ciclos, el retrasode 6 ciclos del propio relé, y distintas calibraciones de frecuencias del relé.



17

Según las curvas, el relé actuará antes de alcanzar la frecuencia crítica hastauna pendiente en la caída de frecuencia de 10 ciclos por segundo en cadasegundo.

)LJXUD��&DUDFWHUtVWLFD�GH�IUHFXHQFLD�HQ�IXQFLyQ�GHO�WLHPSR�SDUD�HOWLHPSR�WRWDO�GH�GHVSHMH�FRQ�GLVWLQWRV�WDUDGRV�GHO�UHOp�

3UHFLVLyQ�\�DMXVWHUn relé CFF puede tararse para frecuencias desde 55 a 59.5 Hz de

forma continua, con una precisión de ±0.1 Hz en torno al punto de ajuste. Seven ligeramente influidos por la variación de la tensión; entre 40 y 140 V, lavariación es de 0.6 Hz de bajada de la frecuencia con la de la tensión. La figura14 muestra esta característica para el relé CFF14A. También dependen de latemperatura: presentando una variación de ±0.2 Hz en un margen detemperaturas entre -20 a 40 °C.



18

)LJXUD�� 9DULDFLyQ� GH� OD� IUHFXHQFLD� GHO� UHOp� HQ� IXQFLyQ� GH� ODWHQVLyQ�DSOLFDGD�

'LVWLQWRV�WLSRV�GH�UHOpV�&))• &))��$� le corresponde una curva continua, e incluye un retraso de

6 ciclos, para evitar un funcionamiento incorrecto en conexión ydesconexión repentina de tensión. Es el relé que se empleageneralmente en programas de deslastre de carga.

• &))�� otra versión del anterior con un retraso de 21 ciclos. Seutiliza con cargas de motores, ya que al perder tensión y quedarseaislados, la capacidad de las líneas tiende a mantener la tensióndurante un corto instante, bajando la frecuencia al ir parándose losmotores. Esta lenta caída de tensión puede durar más de 6 ciclos, sedesconectarían los interruptores innecesariamente por la actuaciónde los relés, que debe retrasarse a 21 ciclos.

• &))��$� su tiempo de actuación es el que se muestra en la figura12, con la curva a trazos. Al no tener una temporización esaproximadamente 0.1 segundos más rápido en comparación conotros tipos de relés, y por lo tanto, es importante conocer sulimitación de utilización en aplicaciones donde no es aceptable unretraso de 6 ciclos, controlando el proceso con relés direccionales depotencia. Mediante circuitos sintonizados controla la respuestatransitoria del relé en caso de falta sin retardos. Aunque no essensible a un aumento repentino de la tensión, puede funcionarincorrectamente con la apertura intempestiva de un circuitoinductivo, o al fundirse el fusible en el secundario de untransformador de potencia.



19

• &))�� diseñado para desconectar la carga por baja frecuencia yreponer el servicio automáticamente cuando la frecuencia recuperaun valor próximo al normal. Con lo cual, su ajuste es a dosfrecuencias: una calibración a baja frecuencia de deslastre de carga,y después se recalibra automáticamente al valor superior dereconexión de la carga. Su empleo debe hacerse con sumo cuidado,dada la complejidad de la reposición del servicio.

&RPSDUDFLyQ�GH�6))�\�&))El tipo SFF da una precisión mayor ( ± 0.005 Hz), que el CFF con (±

0.1 Hz) para el mismo rango de tensión y temperatura, sin embargo este últimovaría su característica de precisión entre -20 y 40 °C y entre 42 y 140 V. Elajuste es continuo para el tipo CFF y va desde 55 hasta 59.5 Hz, mientras queel SFF es discreto (a saltos de 0.05 Hz) desde 54.2 hasta 60.8 Hz.

Se usa más el CFF por ser más sensible a la pendiente de caída de frecuencia, mientras que el SFF actuará siempre a tiempo fijo.

3ODQ�GH�GHVODVWUH�GH�FDUJDV


20

��3/$1�'(�'(6/$675(�'(�&$5*$6Un programa o plan de separación y de reposición de cargas debe

determinar la sobrecarga máxima permisible en la subestación de la que setrate, y si no es posible determinarla hay que estimar la carga máxima a separarde la subestación, siendo mejor ser pesimistas. Además se requiere determinarla frecuencia a la que se debe iniciar la separación, así como la reducciónpermisible de la frecuencia.

De forma ideal un programa de deslastre de cargas debe detectarrápidamente la disminución de generación, determinar con precisión el gradode sobrecarga, y finalmente deslastrar tan sólo la cantidad de carga necesariapara recuperar la frecuencia del sistema; dada la importancia de calidad deservicio para las compañías eléctricas. Esto es sencillo conseguirlo enpequeños sistemas, pero a medida que estos aumentan, este ideal no sólo esdifícil de alcanzar sino incluso imposible.

A causa de la naturaleza oscilatoria de la variación de frecuencia,hay un cierto grado de aleatoriedad, que dificulta el desconectar igualesincrementos de carga a la vez en todo el sistema; probablemente alguno seráexcesivo.

Los estudios con programas de estabilidad dan una buenaaproximación del comportamiento de la frecuencia en parte de los nudos, parapredecir el grado de deslastre necesario en algunas condiciones de emergencia,pero nunca se podrán estudiar todos los casos posibles. Por lo tanto, losprogramas de deslastre de cargas aplican ciertas simplificaciones,considerándose los pares dependientes de la frecuencia, como en la figura 9, oincluso suponerlos constantes, figura 5.

��'(7(&&,21�'(�/$�3(1',(17(�'(�&$,'$�'(�/$)5(&8(1&,$

Según se ha sugerido a menudo el relé ideal para el deslastre de cargasdebería actuar solamente por detección de la pendiente de la frecuencia. Sinembargo, a causa de la naturaleza oscilatoria de las características de caída dela frecuencia de un sistema, parece que el relé ideal no tendría ventajasprácticas, al tender a deslastrar más carga de la absolutamente necesaria. Lapendiente durante las oscilaciones podría ser alta, sugiriendo al plan dedeslastre una pendiente correspondiente a una pérdida de generación superior ala ocurrida realmente.

Por ejemplo, en la figura 4 el nudo E tiene una variación inicial defrecuencia de 3.5 Hz/s, que indicaría una pérdida de generación del 33%, envez del 15% que realmente hay.



21

Consecuentemente, un relé calibrado según la pendiente de caída de lafrecuencia, deslastraría más carga de la realmente necesaria. Para controlar esteefecto de la naturaleza oscilatoria se necesita una indicación de la verdaderapendiente de caída, introduciendo un retraso en el tiempo de actuación. Lasventajas de estos relés se pierden al necesitarse un tiempo probablementegrande. Los trabajos realizados para evitar estos problemas, van encaminados aconseguir un deslastre continuo y no por escalones de carga.

Basándose en la transformada rápida de Fourier (FFT), realizaron sutrabajo Girgis y Ham, mediante la cual consiguen detectar fluctuaciones de lafrecuencia fundamental, y a través de un algoritmo se estima la frecuencia y suverdadera pendiente de caída.

��',6(f2�'(�81�3/$1�'(�'(6/$675(�'(�&$5*$6Es difícil conseguir un equilibrio entre protección máxima del sistema,

e interrupción mínima de servicio. No hay unas reglas exactas, que seríandifíciles de establecer, pero hay una serie de medidas que hay que considerar ydecidir:

1. sobrecarga máxima,

2. carga máxima a deslastrar,

3. número de escalones del deslastre y tiempo entre ellos,

4. cantidad de carga a deslastrar en cada escalón,

5. tarado de los relés, y

6. selección de qué carga se deslastra.

��6REUHFDUJD�Pi[LPDGeneralmente, es muy difícil determinar esta máxima sobrecarga, nivel

en el cual el plan o programa de deslastre comienza actuar. Para grandessistemas, es complicado decidir dónde y cómo se va a separar una carga de lared, y el consiguiente balance de generación-carga. En esta primera eleccióndel diseño son fundamentales los estudios de estabilidad del sistema que setrate.

��&DUJD�Pi[LPD�D�GHVODVWUDUEl objetivo es reponer la frecuencia a su valor nominal o uno próximo,

mediante el deslastre de una carga (cercana a la sobrecarga), como se ve en lafigura 10. No es necesario restaurar la frecuencia exactamente a su valornominal, ya que después actuarán los reguladores de los generadores y lareserva rodante, se encargarán de esto.



22

Es posible, que las turbinas se dañen por debajo de una ciertavelocidad, por lo que se recomienda deslastrar la suficiente carga para que lafrecuencia no llegue a niveles peligrosos (49 Hz para 50 Hz nominales, y 59Hz para 60 Hz nominales). En la tabla 1 se indican en función de la frecuenciaa plena carga, los tiempos límites que soporta la turbina, siendo estos,acumulables a lo largo de su vida.

7DEOD�� WLHPSRV� OtPLWHV� TXH� VRSRUWD� OD� WXUELQD� HQ� IXQFLyQ� GH� ODIUHFXHQFLD�D�SOHQD�FDUJD��

)5(&8(1&,$��+]� 7,(032�0,1,02�'($9(5,$�PLQ�

59.4 contínuo

58.8 90

58.2 10

57.6 1

Cuando no es posible determinar la sobrecarga máxima, debesuponerse la cantidad de carga total a deslastrar, actuando de forma pesimista,y deslastrando de más, mejor que de menos.

Se puede hacer un cálculo para estimar la cantidad de carga que esnecesario separar del sistema:

/'// G I

IG I

I=

+− −

− −

� �

� ��

�

� (��

donde

/' : carga total a ser deslastrada

/ : sobrecarga en p.u.

I : frecuencia de calibración

I� : frecuencia a restablecer (nominal o próxima)

G : factor de reducción de la carga en % con la variación de lafrecuencia en %.

El factor d representa el efecto de la reducción de potencia necesariapara abastecer a la carga, que se produce con la caída de la frecuencia delsistema, se suelen tomar valores entre 0,5 y 7, con un valor típico de 2, aunque



23

su valor exacto varía con el tiempo. En la figura 15 se muestran las variacionesde frecuencia para distintos valores de sobrecargas y con un factor dereducción de carga igual a 2.

)LJXUD�� (YROXFLyQ�GH�OD�IUHFXHQFLD�HQ�XQD�VREUHFDUJD�Para grupos de bombeo en el sistema eléctrico español, se deslastra un

50% de la potencia en cada uno de los dos escalones. En una encuesta a lascompañías de distintos países sobre la cantidad máxima de carga que sedesconecta, un 30% deslastra entre un 10-25%, el 56% entre un 25-50%, y el12% entre un 50-75%.

��1~PHUR�GH�HVFDORQHV�GH�GHVODVWUHLos planes de deslastre de cargas se diseñan generalmente, para

desconectar la carga en escalones, minimizando así la posibilidad de deslastrarexcesiva carga en las condiciones de falta menos graves.

Existe una relación entre el número de escalones en los que se realiza eldeslastre, y la máxima carga a deslastrar. Por lo tanto, a mayor carga a separacorresponde un mayor número de escalones. La elección se basa en laexperiencia, y el número de escalones está limitado entre 3 ó 5. Como se hadicho anteriormente, los grupos de bombeo como carga que son, se deslastranen dos pasos. Mientras que para el resto de las cargas se aplican cuatroescalones.



24

La temporización de desconexión de cargas está fijada en 0,2 ó 0,3segundos, entre cada escalón, en el caso español.

��&DQWLGDG�GH�FDUJD�D�GHVODVWUDU�HQ�FDGD�HVFDOyQLa carga que se desconecta en cada paso no es un dato particularmente

crítico, sino su total. Existe una relación entre lo que se desconecta en el primerpaso y la potencia del generador mayor, o la capacidad de las líneas deinterconexión.

La desconexión de cargas en el caso español se realiza para un 15% óun 10% de la potencia demandada, en cada escalón.

Generalmente se deslastra un 10% en el primer escalón. Y también seconsidera que en pasos sucesivos al primero, se desconecta del sistema un pocomás de carga que en el anterior, optimizándose el diseño, y separando asímenos carga en las sobrecargas pequeñas. Por lo tanto, la carga a deslastrar enlos escalones siguientes se determina normalmente, mediante un repartoarbitrario de la carga restante entre ellos.

��7DUDGR�GH�ORV�UHOpVComo todo el proceso , este paso es más o menos arbitrario, a veces se

logra un tarado óptimo a la primera, mientras que otras veces es necesariohacer ajustes ulteriores. En general es un proceso de prueba y error, que prontoalcanza su óptimo.

El procedimiento es parecido en muchos aspectos al de coordinación decualquier grupo de relés de protección. Por consiguiente los factores de los quedepende el cálculo del tarado son:

1.nivel de frecuencia aceptable (limitado por las características de las turbinas)

2. número de escalones de deslastre,

3. velocidad de actuación de los relés,

4. velocidad de actuación de los interruptores, y

5. precisión de los relés.

Se comienza ajustando el primer escalón. Usando la ecuación 2, secalcula la pendiente de caída de la frecuencia para la condición de máximasobrecarga. Como primera aproximación, se taran los relés para este escalóncon la calibración lo más alta posible, y con el menor retraso añadido. Así, sepuede calcular el tiempo requerido para eliminar la sobrecarga:

7� �5 �� 7 �� %�� "!$#%� �� (��



25

donde

7 : tiempo total de despeje

527 : tiempo de actuación del relé (relay operating time)

75(75$62 : retraso intencional añadido al relé

%27 : tiempo de actuación del interruptor (breaker operating time)

La selectividad se logra mediante el ajuste de la frecuencia deiniciación y la coordinación de tiempo. Necesitando cada escalón un retardomínimo para prevenir deslastres innecesarios frente a oscilaciones defrecuencia en las barras de carga. Por ejemplo en el caso de la figura 4, eldeslastre en el nudo F a 57,8 Hz habría sido innecesario, y hubiera sidosuficiente para prevenirlo con un retardo de 0,3 segundos.

No es posible generalizar el retardo a aplicar para todos los sistemas,soliendo ser suficiente con 0,3 ó 0,4 segundos en la mayoría de los casos.

Usando las curvas características del relé se determina la frecuencia a laque se deslastra el primer escalón de carga. El ajuste del segundo escalónincluye un margen de seguridad por la precisión de relés e interruptores, y será tarado para la frecuencia previa de ajuste menos este margen de seguridad.

De esta forma se ajustarán todos los escalones. Si la frecuencia deactuación del último escalón, es menor que la aceptable, el diseño no esadecuado, debiéndose corregir uno de los factores, como la rapidez o precisióndel relé, reducir el número de escalones o deslastrar más carga en los primeros,reducir el retraso adicional, o ajustar el primer escalón a una frecuencia mayor.

��6HOHFFLyQ�GH�TXp�FDUJD�VH�GHVODVWUDEsta decisión completa el plan de deslastre, al determinar qué cargas

concretas deberían ser deslastradas en cada escalón. El factor determinante enesta decisión es la prioridad de las cargas. La prioridad de las cargas dependede numerosos factores: económicos, estabilidad de la red, legales, etc.Normalmente se deslastran cargas no críticas preseleccionadas, como áreasresidenciales alimentadas desde subestaciones de distribución.

��237,0,=$&,Ï1�'(/�',6(f2Una vez encontrado el diseño que cumple todas las restricciones, debe

optimizarse su eficacia. Una forma de medir ésta, es mediante el cálculo de laproporción entre el área bajo la curva de tarado de frecuencia del relé, y el áreabajo la curva correspondiente a los escalones de deslastre. La superficie bajo lacurva de los escalones se puede calcular fácilmente, mientras que la superficiebajo la curva de ajuste es:



26

( ) ( )[ ]

$ //G/

//G/

/ / / //

/P I//

I //

&&

'

&

'

=+

−+

=

= + − + − +

∫ ∫� �� OQ OQ

(��)

donde

$ : área bajo la curva

/ : sobrecarga en p.u.

/I : sobrecarga en f en p.u. si no se deslastra carga

Lm : máxima sobrecarga en p.u.

I : frecuencia de tarado mínima admisible

Si la relación entre el área de la curva de escalones y la de la curva detarado es menor, aumenta la eficacia del plan de deslastre, dándose paraigualdad de áreas la máxima eficacia. Aún así, esta eficacia puede sermejorada: aumentando el número de escalones de deslastre, o el margen entreescalones, ajustando los relés a las frecuencias más balas posibles, odisminuyendo la cantidad de carga deslastrada en los primeros escalones.

En el sistema eléctrico español existen cuatro escalones defrecuencia para la desconexión de cargas, según la tabla 2:

7DEOD�� HVFDORQHV�GH�IUHFXHQFLD�H[LVWHQWHV�HQ�HO�VLVWHPD�HOpFWULFRHVSDxRO�

(6&$/21 )5(&8(1&,$��+]� &$5*$��1º 49.0 15+2

2º 48.7 15+2

3º 48.4 20+1

4º 48.0 20+1

��352&(',0,(172�(-(03/2Supongamos un programa de deslastre mediante relés estáticos para

proteger una condición con un 50% de sobrecarga. Si separamos la carga encuatro escalones:

1º_________ 10 %

2º _________ 10 %

3º _________ 15 %



27

4º _________ 15 %

Se parte de una frecuencia de iniciación de 59,3 Hz, permitiéndosecomo máximo una bajada de frecuencia hasta alcanzar los 57,0 Hz. Laconstante de inercia del sistema es:

H = 5.

Se simplifica considerando como respuesta del sistema una línea recta.El retardo mínimo debe de ser de 0,3 segundos, y el tiempo de disparo delinterruptor es de 0,1 segundos.

(VFDOyQ )UHFXHQFLD�� 5HWDUGR�GHO�UHOp�V�

7LHPSR�GHDFWXDFLyQ�GHOLQWHUUXSWRU��V�

1º 59.3 0.3 0.1

2º 58.9 0.3 0.1

3º 58.5 0.3 0.1

4º 57.9 0.3 0. 1

En cada escalón es muy importante estar seguro, de que para lafrecuencia de iniciación de un escalón, en ningún caso se deslastra para lascondiciones de operación de los anteriores.

La variación de la frecuencia con el tiempo sigue una recta dependiente(según la ecuación ��)

VREUHF D S X IUHFXHQFLD QR DO +]FRQV WH GH LQHUFLD

DUJ � � � PLQ � �WDQ⋅

⋅�La figura 16 representa los pasos seguidos en cada escalón de deslastre

para este caso.



28

)LJXUD�� &DUDFWHUtVWLFD� WLHPSR�IUHFXHQFLD� SDUD� GHWHUPLQDU� ORVHVFDORQHV�GH�XQ�UHOp�GH�IUHFXHQFLD�HVWiWLFR�6))�

Se obtiene R1 para los 59,3 Hz de tarado del relé en su primer escalón,correspondiéndole un tiempo de 1,15 segundos con un deslastre del 10%. Si aeste tiempo se le añade los retardos de actuación del relé y de actuación delinterruptor, resulta T1 para 1,55 segundos y 59,05 Hz. Para el segundo escalónse tiene R2 a 58,9 Hz de tarado, al haber dejado un margen en el ajuste.

Igualmente, resultan R3 para 58,5 Hz y R4 para el último escalón en57,9 Hz. Los valores T1,2,3 se obtienen sumando los tiempos de actuación derelé e interruptor, e implican un cambio en la pendiente al actuar el siguienteescalón.

Después de establecer el plan de deslastre, este se prueba para lacondición de sobrecarga máxima al 50%, como se refleja en la figura 17.



29

)LJXUD�� SODQ� GH� GHVODVWUH� GH� FDUJD� SDUD� �� GH� VREUHFDUJDXVDQGR�XQ�UHOp�GH�EDOD�IUHFXHQFLD�HVWiWLFR�6))�



30

)LJXUD�� FDUDFWHUtVWLFD� WLHPSR�IUHFXHQFLD� FRQ� HVFDORQHV� SDUD� XQUHOp�GH�EDMD�IUHFXHQFLD�&))�



31

)LJXUD�� SODQ� GH� GHVODVWUH� GH� FDUJD� SDUD� XQ� �� GH� VREUHFDUJDFRQ�XQ�UHOp�GH�EDMD�IUHFXHQFLD�&))�

Considerando que el límite de frecuencia está en 57 Hz, y ademásteniendo en cuenta que la frecuencia final a 57,35 Hz, se recupera al valorinicial mediante el amortiguamiento de la carga y de la generación.



32

��62%5()5(&8(1&,$�'(%,'$�$/�'(6/$675(�(;&(6,92El sobredeslastre es tanto más probable cuanto mayor es la velocidad

de caída de la frecuencia, pudiendo aparecer una sobrefrecuencia en el sistema.

Otro factor que influye es el aumento temporal de la tensión, queacentúa el desequilibrio generación-carga.

La distribución de la carga a separar en un número de escalones defrecuencia espaciados, ayuda a no llegar a esta situación evitando así undeslastre excesivo. Es muy importante por tanto limitar la sobrefrecuencia, paralo que se emplea además el método de reposición automática de carga a altavelocidad. De esta manera, por lo menos un 15% de la carga deslastrada sepuede reponer con seguridad cuando la frecuencia se aproxima a la nominal(49,8 Hz en un sistema de 50 Hz y entre 59,8 y 59,9 para 60 Hz), sin riesgo deentrar en una nueva situación de sobrecarga.

)LJXUD�� GLVHxR�GH�GHVODVWUH�GH�FDUJDV�FRQ�VREUHIUHFXHQFLD� �GH�ODFRPSDxtD�3DFLILF�1RUWKZHVW�

En la figura 20, se muestran distintos comportamientos según haya ono, control de sobrefrecuencia, en una simulación de invierno con carga baja yfuertes importaciones. Se produce una pérdida de 2000 MW de generación yposteriormente se pierden otros 4700 MW, actuando el deslastre de 7800 MW,con un exceso de 3100 MW. La curva A representa la evolución de lafrecuencia sin control de sobrefrecuencia, la curva B con una reposiciónautomática de carga de 370 MW a los 6,7 segundos. Si la reposición hubiesesido del 15% con 1200 MW, la frecuencia quizás se habría reducido a 61,3 Hz.Y por último, la curva C supone una reposición de además 1400 MW porfrenado dinámico de un grupo térmico, que entra a los 60,5 Hz y deja de actuara los 60,1 Hz o por límites térmicos.

&DUDFWHUtVWLFDV�GH�ORV�VLVWHPDV�GH�SRWHQFLD�HQ�OD�UHSRVLFLyQ


33

��5(326,&,Ï1�'(/�6(59,&,2La experiencia indica que gran número de las faltas, que provocan la

actuación de los relés con la apertura de los interruptores, son fugitivas, esdecir, después de la apertura del circuito las condiciones de falta desaparecen,por ello, es posible el reenganche (aproximadamente a los 0,3 segundos), sinpérdida de estabilidad y continuando el funcionamiento normal. Este es el casode los cortocircuitos causados por rayos, la caída de una rama sobre una líneaaérea o por un pájaro.

Sin embargo, se producen otro tipo de faltas que permanecen mástiempo con condiciones de inestabilidad, las cuales conllevan la apertura deinterruptores por la actuación de los automatismos. Si la frecuencia desciendees necesario desconectar automática e intencionadamente cargas de valorsuperior o igual a la sobrecarga existente, para poder recuperar el sistemadespués del deslastre. Esto puede degenerar en ceros de tensión más o menosextensos, en cuanto a la zona y la duración.

El objeto de la reposición del servicio es recuperar las condicionesnormales del sistema, tomándose como uno de los condicionantes para laelección de las cargas que se van a deslastrar.

La reposición de la carga puede realizarse de forma manual oautomática, pero siempre es necesario un adecuado sistema de comunicacionesy control del sistema eléctrico de potencia.

��(67$'26�'(/�6,67(0$Se presenta una situación con oscilaciones de frecuencia, y su posterior

restauración al valor normal, después de una temporización para facilitar lasincronización y el restablecimiento de las interconexiones. Se puede estudiarel problema empleando el diagrama de estados, elaborado por Fink y Carlsen,de la figura 21.

Los diversos estados del sistema se dan según este cumpla o no susrestricciones, que son de dos tipos: las ecuaciones de igualdad "E" como elbalance de energías, y los márgenes a acatar "I", tanto de tensión, frecuencia,etc. Por ejemplo, el sistema puede pasar de un estado de normal a uno de alerta,al superar sus limites de seguridad en centrales y líneas.



34

Figura 21 : HVWDGRV�GH�RSHUDFLyQ�GHO�VLVWHPD�GH�SRWHQFLD�Al ser superior su probabilidad de fallo por sobrecarga, cualquier

perturbación llevará al sistema a un estado de emergencia al funcionar a bajafrecuencia, con sus tensiones fuera de límites y grupos sobrecargados.

Si se llega a romper el equilibrio entre carga y generación, se violan lasrestricciones de igualdad en un estado "in extremis". Al deslastrar carga seevita la sobrecarga en un estado restaurativo, y que finalmente con lareposición del servicio devuelve al sistema a su estado de normalidad.

��3/$1�'(�5(326,&,Ï1�'(/�6(59,&,2Los procedimientos a seguir deben ser claros, así la reposición de

cargas debe realizarse en pequeños bloques, para evitar oscilaciones fuertes defrecuencia que no puedan corregir los reguladores. Los generadores en susniveles mínimos de potencia deben mantener la tensión dentro de susmárgenes.



35

Para cualquier estrategia que se siga de reposición del servicio se debetener en cuenta la alimentación inmediata a los servicios auxiliares de lascentrales, y los problemas de energización de líneas en vacío. Se debe contarcon los tiempos de maniobra de los seccionadores e interruptores, así como dearranque de las centrales térmicas con su respuesta en frecuencia a unincremento de la carga. Además, se pueden presentar problemas de carga fría,con el factor de potencia, etc.

��)$6(6�'(�/$�5(326,&,Ï1�'(/�6(59,&,2Estas se definen según los problemas que se suelen presentar, antes

indicados. Se recomienda dividir el sistema para que en la reconexión no tengaque enfrentarse con toda la carga, y se caiga de nuevo en la sobrecarga. Segúnlos estudios, hay dos niveles de separación de áreas de control y de zonas.Cada zona debe tener una central con capacidad de arrancar desde cero, sin unared de respaldo. Las zonas se quedan aisladas de forma rápida, y se debeestimar su estado general frente a la red.

El arranque desde cero obtiene potencia en algún punto de la red,energizando la zona en parte, para ir satisfaciendo parte de la carga. La meta esconseguir que ésta sea lo suficientemente grande, y a la vez fiable dentro de lasrestricciones de tensión y frecuencia. En el sistema español la frecuencia dereposición en la mayoría de los casos es a 50 Hz. El aumento de la carga seefectúa en pequeños incrementos, para evitar variaciones excesivas defrecuencia, además cuidando del equilibrio de reactiva y las condiciones deestabilidad y tensión. Los pasos en una reposición modelo se presentan en lafigura 22.

Una vez se disponga de suficiente energía, se puede alimentar a losservicios auxiliares de las centrales, de los grandes grupos térmicos,acoplándolos a la red. Cuando sea suficiente la potencia conectada en cadazona, se produce la sincronización de las zonas entre si, acoplándolas hasta queel área de control vuelve a funcionar como una unidad.

Cuando se alcanza la reintegración del área de control a la red, se puedesatisfacer toda la demanda. Se pasa a un estado de alerta, ya que se cumplen lasrestricciones de frecuencia y tensión, y la generación y la carga están saldadas.

No obstante, para llegar al estado normal se debe añadir másgeneración para recuperar la reserva rodante, y más circuitos mallando más elsistema, restableciéndose los márgenes de seguridad para una explotaciónsegura de la red.



36

)LJXUD�� HYROXFLyQ�GH�OD�IUHFXHQFLD�HQ�XQD�UHSRVLFLyQ��,1)/8(1&,$�'(�/26�6,67(0$6�'(�*(1(5$&,Ï1

Según las características de la red, y principalmente las de sus gruposgeneradores, se deciden los planes de reposición.

Un sistema con generación térmica se divide en zonas o subsistemas,con el criterio de que cada uno de ellos disponga de un generador concapacidad de arranque desde cero y otra turbina de vapor con arranque encaliente, además de la carga y la línea de interconexión necesaria.

Un sistema hidrotérmico difiere del anterior en que la energización dela red de transmisión se hace en un sólo escalón mediante las centraleshidráulicas, pudiéndose así alimentar los servicios auxiliares de las centralestérmicas. Estos grandes grupos hidráulicos son capaces de proporcionar lasintensidades necesarias para cargas las capacitancias de todas las líneas. Por lotanto, el tiempo de maniobra de seccionadores e interruptores se reduce. Pero,pueden aparecer sobretensiones al poner en tensión una línea sin carga, que seprevienen reduciendo la referencia de los reguladores de tensión de losgeneradores.

Los planes de reposición para el caso de un sistema total o parcialmentehidráulico ponen especial énfasis en las maniobras de interruptores, y en larespuesta de las turbinas a un escalón de carga.



37

��&$5$&7(5,67,&$6�'(�/26�6,67(0$6�'(�327(1&,$��(1/$�5(326,&,21��(48,/,%5,2�*(1(5$&,Ï1�&$5*$

Se debe conocer la carga en baja tensión, prevista tanto en punta comoen valle. Por parte de los generadores son datos necesarios para la difícildecisión de la reposición: su potencia máxima y mínima, la respuesta dinámicaa escalones de incremento de carga, el tiempo de arranque y de espera encaliente (si es posible) así como el mínimo de rearranque, o sino la capacidadde arranque desde cero.

Las desviaciones de frecuencia al reponer el servicio, se evitanmanteniendo el equilibrio entre generación y carga. El tamaño de cada escalónde carga repuesto depende de la respuesta de las turbinas, si son pequeños sealarga el proceso, y si son grandes el sistema puede recaer. La simulación conprogramas de ordenados permite conocer la respuesta dinámica en estassituaciones.

Unos elementos fundamentales en la reposición del servicio de formaeficaz, son las turbinas de combustión de 15 ó 50 MW, ya que no necesitanpotencia auxiliar para arrancar, y tienen un margen de potencia desde cerohasta su máximo básicamente de 15 ó 50 MW.

La turbina de 15 MW puede arrancar en media hora, incluido elprecalentamiento de 15 minutos, que en caso de emergencia se puede puentearpara arrancar en 15 minutos. Si el equipo está caliente y en el caso de un cerode tensión se arranca inmediatamente con motores diesel. También laintensidad en continua de potencia auxiliar la genera un segundo motor diesel.

Mientras que la turbina de combustión de 50 MW necesita de unafuente auxiliar de respaldo, por ejemplo una turbina de gas (ésta tarda 30minutos en arrancar), que suministre corriente alterna para su arranque, en elque tarda 15 minutos, para frío o caliente de partida. Los problemas aparecenen el reencendido, ya que antes se debe dejar girar hasta parar, tardando mediahora, y luego colocarla en un eje giratorio.

��6,67(0$�'(�&21752/Los controles de la parte mecánica de la central eléctrica no son

efectivos durante el arranque y condiciones de operación con cargaextremadamente baja, al estar diseñados para funcionar entre un mínimo y unmáximo. El mínimo no suele ser inferior al 25% del máximo.

Los controles de temperatura de vapor, tanto principal como decalentamiento, están previstos que funcionen a plena carga. Su objeto es



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regular la pendiente de aumento de la temperatura hasta alcanzar un punto detrabajo prefijado, y así reducir esfuerzos mecánicos. Durante el arranque es eloperador manualmente, el que controla el aumento de la temperatura.

El sistema de control del agua de alimentación en el arranque, nointenta mantener constante el flujo de agua y vapor en el circuito como hace enrégimen permanente, sino tan sólo mantener el nivel de la caldera en un valordeterminado. Por lo tanto, no recibe información del flujo de salida da lacaldera, ya que sólo debe regular el flujo de entrada. Es más sencillo el controldel vapor y el agua en el caso de libre circulación, que se realiza por medio debombas. Sin embargo, en el arranque el control se simplifica en una centralregulada por medio de válvulas, más que si se emplean bombas de velocidadvariable.

En cuanto al los controles de tipo eléctrico, el más importante es elregulador de tensión en bornas del generador, mediante la variación de lacorriente de excitación, de actuación casi instantánea.

Generalmente, el flujo inicial de reactiva lo establece el operadordurante la puesta en marcha. Cuando se alcanza un punto de operaciónmínimo, en torno al 40% de la potencia máxima, se conecta el regulador detensión. La labor del operador es mantener el la intensidad de campo paraasegurar la estabilidad de la máquina. Cualquier cambio en los límites detensión producirá un cambio en el flujo de reactiva.

Durante el arranque se bloquean aquellos relés de protección quepuedan dar disparos intempestivos, como las de mínima excitación, tensión-frecuencia, de distancia, frecuencia,etc. El control de frecuencia debe estarinactivo en el rearranque, y no se restablece hasta la interconexión con elsistema.

Para acoplar el generador se tiene que conectar antes algo de carga,porque sino existiría la posibilidad de que se motorizarse.

��(48,/,%5,2�'(�327(1&,$�5($&7,9$La generación de reactiva y la carga de reactiva deben igualarse.

Pueden generar o consumir reactiva los generadores y cogeneradores, loscompensadores síncronos y la demanda, así como los intercambios. Sólogeneran reactiva las capacidades de las líneas y todos los circuitos, las bateríasde condensadores y los transformadores. Sólo consumen reactiva las bateríasde reactancias.

El primer paso de la reposición del servicio con la introducción de ungenerador de reactiva, es el efecto de energización de las líneas. Esto provocaun aumento de tensión en el extremo opuesto de la línea, donde se debe



39

conectar una carga reactiva o reactancia para reducir el impacto. Para reducir lacaída de tensión causada por la reactancia en serie se debe conectar un circuitoen paralelo. Esta conexión aumentará la generación de potencia reactiva, que asu vez requerirá una potencia reactiva negativa adicional. Sólo se pudecompensar la reactiva, si se han desconectado los generadores con laperturbación, con baterías de condensadores reactancias y compensadoressíncronos. Todo esto se debe tener muy presente sobre todo al energizar unalínea de alta tensión.

��7,326�'(�5(326,&,Ï1�'(�6(59,&,2El método de reposición depende de diversos factores, como el tamaño

relativo del sistema, la capacidad de arranque desde cero, o la reserva rodante.

En el caso del sistema español, la reposición de la carga se efectúaaproximadamente de forma manual un 53% de las veces, y en el 47% de formaautomática. Cuando la reposición de la carga es automática, se temporiza conun ajuste entre 15 y 315 segundos después de alcanzarse la frecuencia dereposición, generalmente a 50 Hz. Las normas de actuación internas de cadacompañía son los criterios seguidos en la reposición manual.

Existen subestaciones en las que parte de la carga se repone de formamanual y otra parte de forma automática, e incluso con distintos escalones defrecuencia. Se emplean relés conmutables, que pueden convertir su modo defuncionamiento para deslastrar carga y otro para reponerla. Actualmente, losrelés de tecnología modular pueden actuar por mínima y máxima frecuencia,aplicando un módulo para la reposición del servicio con las mismascaracterísticas de ajuste.

El primer objetivo de la reposición es establecer todas las conexionesentre centrales y subestaciones. Si el sistema es pequeño se puede utilizar unmétodo secuencial, energizando toda la red con un generador con capacidad dearrancar desde cero. El tiempo es mucho mayor para realizar esta reposición siel sistema aislado es grande, por lo tanto se debe utilizar el método derestauración en paralelo.

Para determinar que método seguir se consideran las características delsistema y de los medios de comunicación. los equipos de telecomunicaciónalimentados por baterías pueden fallar, estando inoperantes durante una o doshoras, y en consecuencia no se puede maniobrar automáticamente. también losinterruptores necesitan una alimentación de sus compresores y calefacción, asípueden necesitar de una a cuatro horas en días fríos hasta llegar a estaroperantes. Los cables sumergidos en aceite pueden perder su capacidadaislante sin bombeo auxiliar del aceite, pudiéndose producir una falta alreponer la tensión.



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Se tiene que contar con más grupos con capacidad de arranque desdecero, para el método de reposición en paralelo. Influye también su distribucióngeográfica en el sistema.

La selección de las distintas zonas para la reposición escalonada, seapoya en la capacidad de cada subsistema. Considerando tanto la capacidad dearranque desde cero para alimentar al equipo crítico, como para mantener lafrecuencia dentro de unos márgenes, y si sus reguladores de tensión sonadecuados para mantener la tensión con un perfil razonable. El centro decontrol de cada subsistema debe tener datos suficientes del mismo paragarantizar su seguridad y coordinar las maniobras de los interruptores. Todoslos puntos de unión tienen que permitir una sincronización eficaz con lossubsistemas adyacentes. Los subsistemas pueden estar formados por grupos devapor aislados con sus equipos auxiliares.

��352%/(0$6�(1�/$�5(326,&,Ï1�'(/�6(59,&,2En las fases de planificación, deslastre y restauración del servicio, se

parte de una simulación o análisis del sistema de potencia. En la situación deemergencia real los problemas de control necesitar soluciones rápidas,resultando difícil para el operador el análisis y la ejecución.

La identificación del tipo de falta, conocer si ésta es transitoria oimplica una interrupción del servicio, es una cuestión de alta prioridad para larestauración. Se tiene que conocer la capacidad de la posible asistencia de lasinterconexiones, con los desequilibrios que pueden conllevar de reactiva, y laprobabilidad de la actuación de relés que interrumpan las líneas de apoyo.

El conocimiento de las respuestas en frecuencia y tensión de cargas ygeneradores, así como el efecto de los reguladores, desafían al sistema y aloperador para mantener los márgenes de tensión y de frecuencia dentro de suslímites. Además se tiene que partir de la estimación de demanda horaria, tantoactiva (conociendo la localización de posibles cargas delicadas), como reactiva,así como el estado del sistema en cuanto a flujos de reactiva. Informaciónnecesaria es la cantidad de generación disponible en el momento y a cortoplazo, con una buena coordinación ente centros de control, subestaciones ycentrales.

Los transitorios de tensión al energizar, y al establecer lasincronización con los otros subsistemas, deben contar con estudios parareducir las diferencias. Como se ha dicho anteriormente, las zonas aisladaspueden presentar problemas al haber estado un tiempo sin alimentación losservicios auxiliares de centrales y subestaciones, no pudiendo contar con larespuesta esperada de apoyo en la reposición del servicio.



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Durante las primeras fases de la reposición el sistema está bajo controlmanual, dentro de los márgenes de frecuencia y tensión tolerados. Entoncesentran las baterías de condensadores y pudiéndose activar los relés de bajafrecuencia.

En conclusión, se deduce la gran complejidad de la reposición delservicio, ya que cada perturbación tiene asociados unos problemas dereposición, jugando en cada caso el operador un papel muy importante, difícilde sustituir totalmente con sistemas automáticos. Los sistemas expertos puedenayudar al entrenamiento del operador y en el estudio de la aleatoriedad delproblema mediante métodos heurísticos.

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