Celdas de Media Tension ABB_Marco Torres

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November 11, 2011 | UFES | Slide 1

Protección de Arco Interno para Subestaciones de Media Tensión

Eng. Marco Torres Simon / Executive Sales - Power Product / 2011

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Agenda

I. Definición y Efectos del Arco Eléctrico

II. Celdas AIS a prueba de arco Interno

III. Celdas GIS a prueba de arco interno

IV. Relé contra Arco Eléctrico

V. UFES

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¿Que es un Arco Eléctrico? Accidente por Arco Eléctrico–Subestación Cudahy (USA)

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Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Definición de Arco Eléctrico

Arco Eléctrico resulta del paso de la corriente eléctrica a tráves de lo que había sido aire, al ionizarse y romper el espacio aislante.

Los arcos eléctricos se manifiestan liberando diversos tipos de energía

Arc Flash: Se define como condición peligrosa asociada con el incremento de energía causado por un arco eléctrico. (Fuente: NFPA 70E)

La unidad de medida es cal/cm2 y se encuentra en términos de energía incidente.

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1. Error Humano

2. Polución

3. Animales

Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Razones de accidentes por Arco Eléctrico

4. Sobrevoltaje

5. Mala conexión

6. Falla Mecánica

7. Aparato Defectuoso (e.g. Transf. voltaje)


1. Equipos a prueba (resistentes) al arco interno:

- Celdas AIS

- Celdas GIS

2. Reles a prueba de arco interno

3. UFES

¿Como mitigar el problema del arco electrico?


A Prueba de Arco Interno Las Celdas de ABB cumplen conforme a los cinco

criterios de la norma:

1.Las puertas del panel deben permanecer

cerradas y no debe ocurrir la apertura de la

cubierta del panel.

2. Ninguna parte de la celda que pueda ser

peligrosa para el personal debe ser expulsada;

3.Ningun agujero debe aparecer en la carcasa

externa de la celda en las partes accesibles para

el personal;

4.Los indicadores de fabrica verticales y

horizontales dispuestos fuera de la celda no

deben quemarse.

5. Toda la conexión de puesta a tierra de la celda

debe seguir siendo eficaz.

Celdas AIS Distribución Primaria UniGear TipoZS1

Celdas AIS Distribución Primaria UniGear TipoZS1

Transformadores de tensión

Ranura superior del Interruptor

Ranura inferior del Interruptor

Transformadores de corriente

Sistema de barras

Mecanismo de Operación -Interruptor

Interruptor en vacio o en SF6

Terminales Inferiores

Interruptor de puesta a tierra


Panel de barra simple para 1250

A


Celdas AIS Distribución Primaria UniGear Tipo ZS1


Celda a prueba de arco interno GIS ZX Single busbar (SBB)

Max 3000 A SBB (1)

MAX 4000 A SBB (2)

Altitude max 5000 m

Max 40 kV, 40 kA


Celda a prueba de arco interno GIS Single busbar (SBB)

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Relés de Protección contra Arco Eléctrico

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Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Relés de protección contra Arco Eléctrico

ABB desarrolla un nuevo sistema de protección para la mitigación de los efectos de arco eléctrico para celdas en media y baja tensión

El objetivo: Lograr la mejor protección en celdas de media y baja tensión en lo que se refiere a su destrucción por arcos eléctricos y seguridad del personal

Los dispositivos de protección esta disponible bajo la denominazación REA y UFES

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Equipo Electrónico principal y modulos de extensión para la detección de un arco interno para ser monitoreado por luz y corriente

Relé Principal

REA 101

Relés Auxiliares

REA 103

REA 105

REA 107

01 sensores de luz para detección del destello producto del arco eléctrico.

Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Protección activa contra Arco Eléctrico

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Principo de Funcionamiento:

Sensores opricos en configuración anillo que es continuamente monitoreado para detectar el destello de luz producido por el arco eléctrico.

Supervisión de detector de fallos. Ambos corriente y luz son requeridos para el disparo.

Tiempo de operación menor a 2.5 ms

Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Principio de Funcionamiento

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Mejoramiento de la selectividad usando una unidad de extensión REA 105 para disparar el interruptor de enlace.

Comunicación entre dos unidades principales REA 101.

REA 101 is activado después de un tiempo de retardo si el disparo no elimina el arco aguas abajo.

Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Aplicación

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Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Efectos de una falla interna por arco eléctrico

Rápido incremento de presión

Celdas con clasificación por Arco

Categoria IAC (IEC)

Categoria Tipo 1; 2; 2C; (ANSI)

Serios daños dentro de la celda

Celdas sin clasificación por arco

Celdas Nacionales

Serios daños dentro de la celda y

personal operativo

Quemadura y vaporización de

metal

Liberación de

fragmenentos de

material y gases

Rápido incremento de

temperatura

(Hasta 20.000 C)

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Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Diferenciación

Warc [kVAs]*

* Constant arc voltage & fault current for the complete fault time Uarc · Ik · t = Warc (linear function)

Tiempo en ms

Relé Ultra Rapido de Luz

Consecuencias limitadas para el equipo y personal (depende del diseño de la celda)

Acero funde

Cobre funde

Cable incendia

Relé de protección convencional

Daños considerables

Fuego/Daños por explosición, serios daños al personal (depende del diseño de la celda)

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Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Prueba de Arc Flash sin protección activa

Compartimiento de

interruptor después de

un impacto por arc flash

Compartimiento de

cables después de un

impacto por arc flash

Terminal de contacto

después de un impacto

por arc flash

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Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Prueba de Arc Flash con protección activa

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Compartimiento de Bus

de Barras después de

una falla por Arc Flash

con protección activa

Punto de inicio de fallo en

el compartimiento de

barras

REA; Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Prueba interna de Arco Eléctrico con REA

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REA; Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Diagrama Unifilar

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REA; Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Zonas de Protección

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REA; Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Instalación en fábrica ABB

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REA; Sistema de Protección contra Arco Eléctrico Puesta en Servicio Subestación San Anita

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Basic system:

One electronic for reliable detection of an internal arc by monitoring of light and current

3 primary switching elements for initiation of a 3-phase short-circuit earthing in parallel to the internal arc

Ultra Fast Earthing Switch type UFES New active internal arc protection by ABB

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Functional principle:

The system bypasses the uncontrolled energy release of an internal arc into a defined and controlled bolted connection of all 3 phases to earth potential

Elimination of the internal arc by resulting breakdown of the arc voltage

Extinction of the internal arc well before the first peak of the fault current (≤ 4 ms after fault detection)

Ultra Fast Earthing Switch type UFES New active internal arc protection by ABB

Tripping cables

L1 L2 L3

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Ultra Fast Earthing Switch type UFES Differentiation

Conventional protection device

Fault detection by standard relay

Clearing of the arc fault current by the upstream circuit-breaker

Fast-acting protection relay with supplementary equipment

Fast fault detection by special protection relay

Clearing of the arc fault current by the upstream circuit-breaker

Ultra Fast Earthing Switch type UFES

Ultra-fast fault detection by UFES electronic type QRU1

Ultra-fast extinction of the internal arc by switching of the UFES primary switching element type U1

Final clearing of the fault current by the upstream circuit-breaker

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Ultra Fast Earthing Switch type UFES Differentiation

Warc [kVAs]*

* Constant arc voltage & fault current for the complete fault time Uarc · Ik · t = Warc (linear function)

time in ms


No consequences to be expected

Prevention of any thermal damage

Drastically reduced pressure rise

Fast protection relay

Limited consequences for equipment and personnel (depending on switchgear design)

Steel fire

Copper fire

Cable fire

Conventional protection device

Dramatic consequences possible

Fire/Explosion hazard, heavy injuries of personnel (depending on switchgear design)

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Ultra Fast Earthing Switch type UFES Pressure curves

Exemplary pressure curve, with and without UFES, in a compartment of an air insulated medium voltage switchgear, for an internal arc fault current of 130 kA (peak) / 50 kA (rms)

Overpressure

in bar

Pressure curve

without UFES

Pressure curve

with UFES

Time in ms

tTC Reaching

time for tripping

criteria

tTC + ≤ 4 ms

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Ultra Fast Earthing Switch type UFES Event sequence description

1. Formation of an internal arc

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2. Detection of the internal arc by light and/or

current monitoring

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current monitoring

3. ~ 1-2 ms after detection

Tripping of the UFES primary switching elements by the

electronic device (optional also tripping of the upstream

circuit-breaker)

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current monitoring




circuit-breaker)

4. ≤ 4 ms after detection

Creation of a solid, 3-phase short-circuit earthing by the

UFES primary switching elements, resulting in the

consequent interruption of the arc voltage.

The internal arc will extinguish.

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current monitoring




circuit-breaker)

4. ≤ 4 ms after detection

Creation of a solid, 3-phase short-circuit earthing by the

UFES primary switching elements, resulting in the

consequent interruption of the arc voltage.

The internal arc will extinguish.

5. After 80 ms + time x

Final clearing of the fault current, flowing through

the primary switching elements, by the upstream

circuit-breaker.

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Ultra Fast Earthing Switch type UFES Primary switching element

Current flow

after tripping

Moving

direction

Drive

Vacuum

device

Service position

Position after tripping

210 m

m

Ø 137 mm

Max. weight ~ 5,5 kg

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Ultra Fast Earthing Switch type UFES Electronic

Detection and tripping electronic type QRU

9 optical inputs for light detection

3 current inputs

Extendable up to 150 supplementary optical inputs with light detection system type TVOC-2

Exact identification of fault location

Self monitoring

Test mode for complete functionality check for installed condition

Simple configuration

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Ultra Fast Earthing Switch type UFES Maximum characteristics of the PSE

Rated voltage max.: Ur = 40.5 kV Ik = 40 kA (3s)

Rated short-time withstand current max.: Ik = 50 kA (3s), 63 kA (1s) Ur = 17.5 kV

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Ultra Fast Earthing Switch type UFES OEM channel – loose components

UFES-kit consisting of:

Detection- and tripping

electronic type QRU

3 primary switching elements

(PSE) type U1

1 set of tripping cables with special

plugs for PSE and electronic

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Service-Box

Ultra Fast Earthing Switch type UFES Service channel: Retrofit solutions

Service-box

(Side-mounted example)

Draw-out unit

Draw-out unit

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Ultra Fast Earthing Switch type UFES AIS switchgear channel

UFES in UniGear -

top box installation

UFES in UniGear

cable compartment installation

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