4.1- Principio de operación de la protección diferencial de línea 87L Introducción La protección diferencial es uno de los métodos mas efectivos de proveer protección contra fallas debido a lo sencillo de su principio de operación basado en que la corriente que entra por un extremo debe ser igual a la corriente que sale del otro extremo, el relevador opera cuando la diferencia de ambas corrientes excede un valor predeterminado (pickup). Debido a la necesidad de contar con ambas corrientes esta aplicación estuvo restringida por muchos años a aparatos tales como Generadores, Transformadores, Motores, Buses, Capacitores y Reactores donde las corrientes estaban cercanas físicamente. A causa de los avances en las comunicaciones y específicamente en la fibra óptica, es común ahora proteger líneas con protección diferencial para lo cual se requiere instalar un relevador en cada extremo, los cuales están comunicados entre sí a través de fibra óptica y comparten información de las corrientes de línea. Así se consigue (el viejo anhelo) proteger el 100% de la línea disparando sin retardo de tiempo con características de alta sensibilidad y rapidez.
Posiblemente los relevadores mas empleados (en nuestro ámbito) son los de la marca SEL. Para protección diferencial cuenta con los modelos 387 (el cual contiene solamente los elementos diferenciales uno para cada fase, el de neutro y el de secuencia negativa, similar a la figura de arriba) el 311L, (que contiene los elementos diferenciales y además protección de distancia, sobrecorriente, voltaje, frecuencia, recierre y otros), cabe mencionar que el modelo 311C aunque tiene los mismos números (311) no contiene los
elementos diferenciales solo los de distancia, sobrecorriente, voltaje, frecuencia, recierre y otros así que es mas un 21 que un 87.
El relevador SEL387 no requiere ajustes, solo se le conecta directamente la fibra óptica además de abastecerlo de la señal de TC,s, voltaje de C.D., alambrar su disparo y alarmas. Se deben tener disponibles un par de hilos de fibra óptica exclusivos ya que cada relevador utiliza un hilo para mandar información al otro relevador. El SEL-311 es similar, solo lleva unos ajustes mínimos.
Principio de operación: El principio de funcionamiento se basa en detectar la dirección y magnitud de la corriente en el extremo remoto para compararla con la dirección y magnitud en el extremo local. Si localmente se tiene una corriente saliendo (+) del Bus hacia la línea ILθ° y en el extremo remoto se tiene una corriente -IR θ° donde el signo negativo significa que entra de la línea hacia el Bus. El relevador calcula la razón IR / IL. Para corrientes de carga normal o de falla externa se tienen corrientes iguales y de signo contrario La cual en el plano complejo es el punto (-1, 0) El relé no debe de operar. Si la falla es interna (sobre la línea) ambas corrientes serán positivas fluyendo del Bus hacia la línea El relé si debe de operar
Debido a errores o saturación en los TC,s, así como asimetrías o errores en los canales de comunicación, se define un área de restricción o zona de nooperación cercana al punto (-1, 0) mientras mas grande es esta área se permite tener cargas tapeadas, e incluso diferente relación en los Tc,s y ya no es problema la saturación de los mismos. El plano alfa es la representación en el plano complejo de la razón entre dos corrientes, la Remota y la Local, de fase o de secuencia considerando marcas de polaridad en Tc,s. Por ser una división de cantidades con las mismas unidades, los ejes no tienen unidades, solo hay un eje real y otro imaginario. Las curvas características de relés diferenciales de línea introducidos recientemente en el mercado están implementadas directamente en el plano alfa. La decisión de disparo dependerá si la ubicación de esta razón cae dentro del área de estabilidad o en el área de disparo señalada en el plano alfa. Eje Imag. ( IR /IL )
α
Area de Disparo
R -1 Area de nooperación
1/R
Eje Real ( IR /IL )
Fig. 2.-Caracteristica de operación del elemento diferencial, representado en el plano de razón de corrientes
Hay dos ajustes para esta característica: El radio R del arco grande (típicamente entre 5 y 10) y el ángulo alfa (α) típicamente entre 160 y 210 grados. También existe un ajuste de la magnitud de la corriente mínima para que opere la diferencial que no debe ser menor a la corriente de carga máxima suponiendo el peor caso que los TC,s del otro extremo están en corto circuito.
Los ajustes de fábrica que traen los relevadores y que SEL recomienda usar son: ángulo 195°, y radio 6. Estos ajustes son los mismos para todos los elementos (los de fase, de secuencia negativa y cero). A causa de que normalmente (excepto por casos muy especiales) se usan los ajustes de fábrica se dice que estos relevadores no llevan ajustes. El pickup de corriente mínima de operación para los elementos de fase en 1.2 veces la corriente secundaria nominal o sea 6 Amp para Tc,s de 5 Amp. El tiempo típico de operación es menor a un ciclo para fallas trifásicas. El pickup de corriente mínima de operación para los elementos de secuencia negativa y cero que son los que detectan fallas desbalanceadas SEL recomienda el 10% de la corriente secundaria nominal o sea 0.5 Amp para Tc,s de 5 Amp. El tiempo típico de operación es de 3 ciclos para este tipo de fallas. A causa de que normalmente se usan estos ajustes de fábrica se dice que estos relevadores no requieren ajustes ni hacer cálculos. Equipamiento: Para líneas cortas el esquema completo se logra con dos relevadores: Un SEL311L que proporciona protección diferencial (87L) y protección de distancia entre fases (21F) y un relevador de sobrecorriente direccional (64N) por ejemplo un SEL351 que adicionalmente provee la función de falla de interruptor 50FI, con esto, se cumple con lo que establece la norma de CFE G0000-62 mencionada en la Unidad 1.
En esta figura anterior se muestra las funciones con que viene equipado el relevador SEL311L por política de seguridad el 67N se implementa en otro relevador, usualmente el 50/51 y el 81 se bloquean, en general, el aprovechamiento de las funciones adicionales es posible, dependerá de la ubicación e importancia de la línea, así como de la política interna de la compañía eléctrica.
En la figura anterior se observa el potencial del relevador 311L de proporcionar además de la protección diferencial cuatro zonas de protección de distancia: La zona 1 que se ajusta para cubrir el 90% (aprox.) de la longitud de la línea sin retardo de tiempo; la zona 2 que se usa para instalar esquemas
de aceleramiento de disparo como PUTT POTT etc. con lo que se logra cubrir el 100% de la línea disparando sin retardo de tiempo; la zona 3 que se puede ajustar para que vea fallas “atrás” con la instrucción de bloquear el disparo del interruptor en dicho caso y la zona 4 como protección de respaldo con retardo de tiempo para fallas remotas.
En la figura anterior se muestra como cada relevador cuenta con información de las tres corrientes de fase Ia, Ib, Ic de cada extremo, a la información del extremo remoto se le corrige su retardo y se sincroniza en tiempo, después se
calculan los fasores de dichas corrientes a través del proceso digital. Los fasores de estas corrientes entran a los tres elementos de fase designados 87LA, 87LB, 87LC donde son comparadas. A partir de los fasores de las corrientes de fase se calculan las corrientes de secuencia las cuales entran al elemento de secuencia cero o de tierra designado 87LG y al elemento de secuencia negativa designado 87L2, estos elementos para tomar la decisión de disparo deben recibir la señal de que no hay TC,s saturados proveniente del Detector de Saturación. En total son 5 elementos de protección basados en la característica del plano alfa o plano de razón de corrientes. Para que el esquema de protección declare una falla, cada elemento, de fase o de secuencia, debe determinar si la suma de las dos corrientes en los extremos de la línea excede un valor de pick up y entonces determina si la razón de las corrientes cae fuera del área estable. En general si se incrementa el radio y el ángulo alfa de un elemento de fase, se puede hacer inmune a la saturación de TC,s durante una falla externa. No se puede aplicar la misma técnica de mitigación a un elemento de secuencia. El elemento de secuencia permanece irremediablemente inestable cuando ocurre saturación de TC durante una falla externa. Un detector de saturación supervisa a ambos elementos 87LG y 87L2 tal que el esquema de protección bloquea la operación de estos elementos si se detecta saturación de TC en cualquiera de las 6 corrientes de fase implicadas.
