Cap 3 Rele Sobrecorriente Protecciones

Relés de sobre corriente Terminología en relés electromecánicos

UNIVERSIDAD DE TARAPACÁ Escuela Universitaria de

§ Umbral de operación:

Ingeniería Eléctrica-Electrónica

ü Lugar geométrico de todas las corrientes que hacen que el torque

resultante que actúa en la parte móvil sea nulo. Ø Define la frontera entre la zona de operación y de no operación. Ø La parte móvil esta en un estado de flotación, sin moverse.

Relés de sobrecorriente

Ø El relé se ajusta para “un” valor del umbral de operación (corriente de ajuste). Ø Si la corriente de operación es levemente superior a la corriente de ajuste, teóricamente la parte móvil debería moverse (el relé operaría). Ø En la práctica esto no ocurre debido diferentes factores.

Ildefonso Harnisch Veloso Arica-Chile Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de Ingeniería Eléctrica-Electrónica Eléctrica-Electrónica UTA

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1

Relés de sobre corriente


Terminología en relés electromecánicos


Factores

§ Tap

ü Fricciones en descansos de los ejes o del embolo

ü Dispositivo que permite variar la sensibilidad del relé, permitiendo que opere con diferentes valores de corriente. Se puede seleccionar dentro de un rango de tomas dispuestas para tal efecto en la bobina de operación del relé (bobina magnetizante).

ü Elasticidad no repetitiva del resorte antagónico ü Efecto de la temperatura; dilatación diferenciada en los componentes ü Presión atmosférica; cambia la densidad del aire ü Humedad del aire; corrosión en los metales

ü Usualmente el Tap se especifica en amperes y representa el valor de la corriente mínima que deja al relé en su umbral de operación.

ü Envejecimientos de los componentes

ü Se utiliza como ajuste de la corriente de operación. §


2

3

TAP: También se conoce como Plug Setting (PS).


4

Relés de Sobre corriente


Terminología en relés electromecánicos φ tap = 1A

2A 4A

N = 100 espiras


La misma FMM, generará el mismo flujo, que producirá el mismo torque motriz en el disco. Así, la misma FMM = NI se consigue usando varios Taps.

φ1 φ 2 Anillos de sombra Disco

FMM Mínima

I mínima

TAP

(A-v)

(A)

(A)

100

1

1

100

100

1.25

1.25

80

100

2

2

50

100

2.5

2.25

40

100

4

4

25

Núcleo

N

Alimentador

Supóngase que la FMM mínima necesaria para dejar el relé en el umbral la operación sea de 100 A-v. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

5






2

De la tabla se puede apreciar que a cada TAP se le asignó una corriente igual a la corriente de ajuste.

Z1 ·Tap Tap

2 1

= Z 2 ·Tap Tap

 Tap1  Z2 = Z1·   Tap 2 

2 2

De este modo el TAP del relé es también conocido como corriente de ajuste.

Para cualquier Tap y para cualquier corriente de operación que tenga la misma corriente en veces Tap, el torque motriz sobre el disco es el mismo.

Cada taps con su respectiva corriente genera la misma FMM, que produce el mismo flujo, que mantiene al relé en el umbral de operación, esto es, consumiendo la misma potencia aparente, ya que el relé se encuentra en la misma condición de operación. Por lo tanto, en estas condiciones, el TC se carga con el mismo burden en VA.

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6

K·I 2 − τ r τa = τm − τr = K·I

τr = K·Tap 2 7

Umbral

0 = K·Ta K·Tap p 2 − τr

Umbral

τm = K·Tap2 ·I2pu = τr ·Ip2u


8





§ Pick-up

§ Lever / dial de tiempo

ü Es la corriente mínima de operación que produce el cambio de estado del relé (cierre de los contactos). ü Es un indicador ajustable que permite variar los tiempos de operación del relé (razón del nombre dial de tiempo).

§ Corriente de partida

ü En los relés disco de inducción el indicador se llama lever .

ü Es aquella corriente que saca de la inercia a la parte móvil del relé.

ü El lever es el indicador de la posición de tope que controla la posición de reposo del disco, que determina el recorrido del mismo hasta la operación o cierre de los contactos, y que por lo tanto permite variar los tiempos de operación.

ü En los relés americanos prácticamente el valor de pickup, de tap y de corriente de partida es el mismo. ü En los relés europeos, estos valores pueden ser diferentes; por ejemplo: I pa rti da

= 1 . 0 5 ·T ap ap

ü Para cada valor del lever o dial de tiempo se tiene una curva de operación diferente.

= 1 . 3 ·T a p

I pickup


9



10




§ Lever / dial de tiempo

§ Corriente de operación en veces Tap ü las curvas de operación se dibujan en función de la corriente de operación expresada en múltiplos del valor del Tap y no en términos de la corriente para el Tap actual.

ü El lever es el ajuste del ángulo de reposo . ü A mayor ángulo  mayor es el tiempo de recorrido que tiene que hacer el contacto móvil para que se cierren los contactos.

ü Esto permite usar las mismas curvas independiente del TAP seleccionado.

Circuito DC

§ Curvas de operación ü Los fabricantes demarcan las curvas de operación de los relés con los siguientes rangos de ajustes del lever (dial de tiempo):

Contacto fijo

Disco

Curva (Americanos: Norma ANSI): 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10

θ

ϕ

τ

Curva (Europeos: Norma IEC): 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 O bien

Contacto móvil en reposo Tope

Curva (en ambos casos): 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%

Lever


11


12


Relés de Sobre corriente Terminología en relés electromecánicos

15

§

Tap: Plug Setting Setting (PS).

10 9 8

I veces tap

7 6

= I / Tap

§ Curvas de operación

5

4

ü Todas las curvas son referenciadas a la curva de 100%

§ Corriente expresada en múltiplos del Tap = Corriente en veces Tap

3

s d n o c e S n i

2

e m i T 1.5

0.9

10 9 8 7

0.8

6

1

0.6

4

0.5

3

ü También se conoce como Plug Setting Multiplier (PSM)

g n i t t e S l a i D e m i T

5

0.7

0.4

ü Es decir, para una corriente de operación dada:

tiem tiempo po curv curvaa X% =

§ Dial de tiempo = lever

2 0.3

ü También se conoce como Time Multiplier Setting (TMS).

1 0.2

0.1 5

0.1 1. 5

2

3

4

5

6

7

8

9 10

15

20 20

30

40

50

100

·tiem tiempo po curv curvaa 100% 100%

Por lo tanto, basta disponer de la curva 100 % para reconstruir cualquier curva. Existen infinitas curvas entre los extremos (lever 5% y 100%). Aproximadamente se pueden obtener curvas intermedias interpolando las curvas adyacentes.

1/ 2

1

X%

6 0 70 8 0 9 0 102

Multiples of Relay Tap Setting


13



§ Curvas de operación

Umbral de operación (corriente de ajuste/Tap)

14



n ó i c a r e p o e d o p m e i t


§ Curvas de operación ü Las curvas inversas de los relés electromecánicos se dan a partir del múltiplo 1.5 veces Tap.

a r e p o o n é l e R

o n t o r c i e a c r n e i p o o p é l m e i e R t

1

1.5 2

ü Corresponde a un torque del relé 50% superior al torque del umbral de operación donde el fabricante garantiza la operación del relé de acuerdo a la curva correspondiente.

a v e r a d u d c a a r a n e l o p a i o o c c é d l l r e e e e R u s c a

3

ü En Iop = 1 la corriente de operación es igual a la corriente del Tap; el relé esta en su umbral de operación. ü Entre Iop 1 y 1.5 el relé opera con un torque muy pequeño y no hay certeza que el relé cierre sus contactos debido a diversos factores como los comentados para los relés de atracción magnética.

I op en veces veces tap


ü En los relés digitales, los fabricantes aseguran operación a partir de Iop= 1.1.

15


16


Relés de Sobre corriente Características Características tiempo tiempo - corriente

Clasificación de relés de sobrecorriente t op

t op

top de 10 a 100 ms

ajustables:

a) Instantáneo

Los Los relé reléss de sobr sobrec ecor orri rien ente te se clas clasif ific ican an en funci función ón del del tiem tiempo po de oper operaci ación ón

ajustable:

I ajuste

Relés

50

51

t op

De tiempo

definido

inverso

ajustable:


17

d) tiempo inverso y unidad instantánea

Iajuste

I

I ajuste

Iajuste , Iinst

ajustables:

c) tiempo inverso

De tiempo

I

I ajuste

t op

retardados

instantáneos

t1 I

I ajuste

Relés

Ia j us tete , t1

b) tiempo definido

Iinst

I ajuste

I



18


Características de tiempo inverso

Curvas características

15

10 9 8 7 6

§ Representación muy aproximada:

top (seg) Relé extremadamente inverso

Tiempo en

Lever

5

segundos

4

Graduación de tiempo

3

Relé muy inverso

t

=K/I

t

=K/I

s d n o c e S n i

; I ≥ Iajuste

2

e m i T 1.5

Relé inverso

t 1.5

2

= K / I3

I (veces tap)

; I ≥ Iajuste ; I ≥ Iajuste

0.9

10 9 8 7

0.8

6

0.7

5

0.6

4

0.5

3

1

g n i t t e S l a i D e m i T

0.4

2

Corriente Veces TAP

0.3

1 0.2

0.1 5

1/ 2 0.1

1

1 .5

2

3

4

5

6

7

8

9 10

15

20 20

30

40

50

6 0 70 8 0 9 010 2

Multiples of Relay Tap Setting


19


20

Curvas características caracterís ticascorriente Relé IAC51 GE Relés de sobre

Relés de sobre corriente Curvas características ü Es habitual representar 11 curvas cada una coincidiendo con las numeraciones del dial de tiempo (lever). ü El propósito de ajustar el retardo es permitir la coordinación entre los relés. ü Las curvas se dibujan mediante una sola línea; sin embargo, es necesario indicar que se aceptan ciertos límites de error. ü Para ajustar un relé de sobrecorriente se debe seleccionar su Tap y su graduación del dial de tiempo. ü Lo ideal en un sistema de protección es que todos los relés tengan la misma inclinación de sus curvas características. ü Así, se facilita la coordinación y se garantiza coordinación para todas las corrientes de cortocircuito de la red.


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Curvas características inversas estandarizadas

Curvas características inversas estandarizadas electromecánicos: Función estandarizada estandarizada §Relés electromecánicos:

§Relés electromecánicos: Normas IEC, ANSI/IEEE, IAC, I2t

Ø k: Corresponde a la graduación del dial en por unidad. Por ejemplo: Curva 20%, k = 0.20.

ü Las curvas presentadas anteriormente son de relés electromecánicos.

Ø top: Tiempo de operación del relé en segundos.

ü Como los relés electromecánicos eran los únicos utilizados en el pasado, sus curvas se normalizaron a través del tiempo.

Ø Ip: Corriente pickup. Ø , !: Son constantes que determinan la pendiente de las curvas.

ü En los relés digitales no hay necesidad de disponer de las curvas en papel, porque opera asociando la curva a una función que reproduce la curva normalizada.

Ø L: Constante. § Algunas ventajas de los relés digitales respectos a las curvas:

§Relés electromecánicos: electromecánicos: Función estandarizada

Ø Pueden ajustar las inclinaciones.

t op

=

K β M

α

−1

Ø Tienen curvas propias de operación y personalizadas de acuerdo a las necesidades.

+L


23

Ø Pueden emular las curvas normalizadas de los relés electromecánicos.


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Curvas características inversas estandarizadas

Tiempo de reposición y sobrecarrera

§Relés electromecánicos: Coeficientes función estandarizada estandarizada

Norm Normaa Tipo Tipo de de cur curva va

IEC

IEEE



!

§Tiempo de reposición (reset time) Ø Es el tiempo que tarda el relé en volver a su estado inicial después que ha actuado y queda listo para una nueva operación completa.

L

Ø En un relé disco de inducción es el tiempo que tarda el disco en volver a su posición inicial después que ha actuado.

Normal inversa

0.02

0.14

0

Moderadamente inversa

0.04

0.05

0

Muy inversa

1

13.5

0

Extremadamente inversa

2

80

0

Moderadamente i nv nversa

0.02

0.0515

0.114

Muy inversa

2

19.61

0.491

Disco

Extremadamente inversa

2

28.2

0.1217

τr

Circuito DC

Contacto fijo Contacto móvil

ϕ Contacto móvil posición reposo

θ = 0º Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

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ü Cuando el relé opera y después el interruptor elimina la corriente de falla, cesa el torque motriz. ü El disco queda sometido solo al torque restaurador del par antagónico.


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Protección de sobrecorriente

Tiempo de reposición y sobrecarrera Selectividad Selectividad de relés de sobrecorriente sobrecorriente § Sobrecarrera § Desventaja principal de los relés de sobrecorriente Ø En un relé disco de inducción la sobre carrera es el tiempo que el disco puede seguir girando antes de cerrar sus contactos debido a su inercia, luego que la falla ha sido despejada por otro relé.

ü Individualmente son escasamente selectivas debido a que su

respuesta es función únicamente de la corriente que vigilan, con independencia de la causa que la origina , de su sentido de circulación o del punto en que se ha producido la falla.

Ø En relés estáticos y digitales la sobre carrera es despreciable y el tiempo de reposición se puede reducir prácticamente a cero.

§ Obteniendo selectividad ü Se define a nivel de conjunto, es decir, coordinando adecuadamente la respuesta de todas ellas.


27


28


Protección de sobrecorriente sobrecorriente

Selectividad de relés de sobrecorriente

Selectividad Selectividad de relés de sobrecorriente sobrecorriente

§ Obteniendo Coordinación

§ Inconvenientes en la aplicación

ü Selectividad ampermétrica:

ü El alcance de un relé de sobrecorriente depende del tipo de falla y de los camb cambio ioss de gene genera raci ción ón en el sist sistem ema a eléc eléctr tric ico o (imp (imped edan anci cia a de la fuen fuente te); ); así, así, el relé relé pued puede e suba subalc lcan anza zarr o sobr sobrea ealc lcan anza zarr. Está Estáss cara caract cter erís ísti tica cass pued pueden en prod produc ucir ir operac operacion iones es incorre incorrectas ctas hacien haciendo do que el sistem sistema a de protecc protección ión pierda pierda select selectivi ividad. dad.

Ø Se logra si la coordinación se realiza ajustando convenientemente las

corrientes de operación de los relés (pickup). Ø El escalonamiento de los valores de las corrientes de cortocircuito, creciente

a medida que nos acercamos hacia la generación, posibilita el establecimiento de selectividad ampermétrica en una red radial.

ü Además, el ajuste y la coordinación de los relés de sobrecorriente se tendría que cambiar cambiar al produci producirse rse modific modificaci aciones ones en la configu configurac ración ión de la red.

Ø Se puede aplicar solamente a la protección de un tramo de la la red que

posee una impedancia significativa (ver ajuste de unidades instantáneas).

ü Las Las pobr pobres es pres presta taci cion ones es de sele select ctiv ivid idad ad y los los inco inconv nven enie ient ntes es inhe inhere rent ntes es a su

coordinación hacen que las protecciones de sobrecor ririente se empleen funda fundame menta ntalm lmen ente te en el ámbit ámbito o de las las redes redes de dist distrib ribuc ució ión, n, sien siendo do mucho mucho meno menorr su util utiliz izaci ación ón en líne líneas as de tran transm smis isió ión n de alta alta tens tensió ión. n.

ü Selectividad cronométrica: Ø Se logra si la coordinación se realiza ajustando convenientemente los

tiempos de operación de los relés (ajustes cronométricos). ü Esta problemática se puede tolerar en un Sistema de Distribución pero no es aceptable en redes de transmisión (se puede producir pérdida de estabilidad),por

Ø La desventaja es que a medida que crece la severidad de la falla crece el

tiempo de despeje de la misma. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

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lo que se prefiere utilizar protecciones de sobrecorriente en un sistema de Protecciones redes eléctricaspara - Escuela Universitaria de Ingeniería Eléctrica-Ele Eléctrica-Electrónica ctrónica UTA distribución (no entan rápidas coordinación, pero más baratas).


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Selectividad de relés de sobrecorriente

Selectividad Selectividad de relés de sobrecorriente sobrecorriente

§ Aplicaciones

§ Aplicaciones

ü La apli aplica caci ción ón princi principa pall de los los relé reléss de tiem tiempo po inver inverso so es la prote protecci cción ón contr contra a sobr sobreca ecarga rgass prolo prolong ngada adass y contr contra a fall fallas as entre entre fase fasess y fase fase a tierr tierra a en sist sistem emas as radi radial ales es de dist distri ribuc bució ión. n. Tambi ambién én se util utiliz izan an bast bastan ante te en redes redes indus industr tria iale less en medi media a y alta alta tens tensió ión. n. ü En rede redess radi radial ale es, gene genera ralm lme ente nte la selec electi tivi vida dad d se cons consig igue ue medi median ante te la

coor coordi dina naci ción ón cron cronom omét étri rica ca de los los relé relés. s. Para Para ello ello es nece necesa sari rio o ajus ajusta tarl rlos os de modo modo que, que, refer referid idos os a corri corrien entes tes equ equiva ivalen lentes tes,, sus sus tiem tiempo poss de oper operac ació ión n sean sean crecie crecient ntes es a medi medida da que está están n situa situado doss más más cerca cerca de la gene genera raci ción ón..

ü Aunque este escalonamiento de tiempos puede conseguirse con relés de sobr sobreco ecorri rrien ente te de tiempo tiempo defini definido do,, lo habit habitua uall es que se reali realice ce con con unidad unidades es de tiem tiempo po inve invers rso, o, debi debido do que perm permit iten en redu reducir cir los los tiem tiempo poss de perm permane anenci ncia a bajo bajo cond condic icio ione ness de fal falla a medid edida a que que aume aument nta a el valo valorr de la corr corrie ient nte e de fall falla a y, por por lo tanto tanto,, miti mitigan gan la grave gravedad dad de las las cons consec ecuen uenci cias as de su circ circul ulaci ación ón..

ü En rede redess mall mallada adass no es posi posibl ble e defi definir nir la sele select ctivi ividad dad util utiliz izand ando o sola solame ment nte e

funciones de sobrecorriente. Por esta razón, para este tipo de redes es ne ce cesar io io utilizar protecc io iones de so br brec or or ririent e dir ec ec ci cion al ales, qu e se deno denomi mina nan n así así debi debido do a que que oper operan an cuan cuando do la corr corrie ient nte e supe supera ra el valo valorr pick pickup up fijado fijado y, además además,, circula circula en una direcci dirección ón determ determina inada. da.


31


32



Selectividad con relés instantáneos (ampermétrica)

Selectividad con relés instantáneos (ampermétrica) § Ventaja

Cada relé se ajusta (idealmente) para que opere solamente si la corriente es mayor que la corriente de cortocircuito correspondiente a la posición del 52 contiguo ubicado aguas abajo.

ü Alta velocidad de operación

§ Desventajas

I pickup

I I

ü Problemas de selectividad

R AB

B I CC

R BC

C CC D CC

ü Sobre alcance transitorio en relés instantáneos

R CD

Ø Tendencia Tendencia que tiene un relé a operar para fallas ubicadas más allá del

R D

alcance esperado (calculado sin componente DC). A

B

C

distancia

D

Ø Esto se debe a que el ajuste se define a partir de la corriente de falla

simétrica, sin embargo, el relé (por su rapidez de operación) ve la corriente asimétrica de falla y es este valor el que compara con el ajuste.

X F R AB

R BC

R CD

Ø Por ejemplo, si ocurre una falla en el tramo tramo BC, próximo al interruptor B,

R D

Distancia aumenta desde la fuente

puede ser la protección R AB quien la despeje, si es más rápida que la R BC.

Corriente aumenta hacia la fuente


R AB

Protección de sobrecorriente Selectividad con relés instantáneos (ampermétrica)

Alcance transiente

Sobre alcance

100 /1

X A I pu

− IB IA

100 =

100 − 80 100


§ Desventajas Alcance de régimen permanente

= IA

34


ü Sobre alcance transitorio:

St


33

100 = 20%

= 1 .0 A

Y

El relé sobrealcanza desde X a Y.

ü Problemas de Selectividad Ø Baja selectividad para valores elevados de corriente de cortocircuito.

B 50

= 100 A =0 IF = 1 00 00 A

Ica

Idc,max

Falla ocurre en v(t)=Vmax

Ø Dificultad para distinguir entre una corriente de falla en un punto u otro,

= 80 A = 60 A IF = 1 00 00 A

Ica

I dc

cuando la impedancia entre ellos es pequeña comparada con la impedancia hacia el lado de la fuente, lo que puede llevar a que se presente una baja selectividad.

Falla ocurre en v(t)=0

IA :

Corriente de falla sin componente DC de valor igual a la corriente pickup (alcance X).

IB :

Corriente de falla simétrica que, combinada con el máximo desplazamiento de la componente DC, es igual a la corriente pickup (alcance Y). Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

q Por ejemplo, no existe diferencia entre la corriente de falla a la entrada

del interruptor B y la corriente de falla en su salida, por lo tanto, el relé R AB no puede discriminar si la falla ocurrió en su tramo o en el siguiente. Si la falla ocurre a la salida del interruptor, puede ser la protección R AB AB quien la despeje, si es más rápida que la R BC.

35


36

R AB




Selectividad con relés de tiempo definido (cronométrica) t op

§ Desventajas ü Problemas de Selectividad Ø Dificultad para el ajuste cuando las condiciones de carga (generación) son

muy variables .

∆t : tiempo de de coordinación coordinación

2.0 1.5 1.0 0.5

∆t

A

B

∆t

R AB R BC R CD R D

∆t

C

distancia

D

q Si los ajustes son calculados para máxima generación estos podrían no

X

ser apropiados para niveles de falla menores; sin embargo, si los ajustes son calculados para un nivel de falla menor podría suceder que algunos interruptores operen innecesariamente si los niveles de falla aumentan.

R AB

R BC

R CD


Por los problemas mencionados, los relés de sobrecorriente instantáneos prácticamente no se utilizan como única alternativa de protección; sin embargo, se usan en combinación con otras protecciones. protecciones. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

R D Corriente aumenta hacia la fuente

ü Para resolver algunos de los problemas de selectividad mencionados

anteriormente es necesario discriminar por tiempo de operación. ü La figura supone que todos los relés tienen sensibilidad para detectar la falla F. 37



38


Selectividad con relés de tiempo definido (cronométrica)

Selectividad con relés de tiempo inverso (cronométrica)

§ Ventajas

t op

R AB R BC

ü Selectividad conseguida por ajuste de tiempo (operación escalonada).

R CD

2.0 1.5 1.0 0.5

ü Se usa en líneas radiales para proteger tramos cortos donde se produce una

pequeña diferencia de los niveles cortocircuito entre sus extremos, debido a que la impedancia del tramo a proteger es pequeña respecto a la impedancia entre la protección y la fuente.

R D

A

C

B

distancia

D

X F

§ Desventajas R AB

ü La gran desventaja de este método es que el tiempo de operación de cada

uno de los relés es cada vez mayor hacia las proximidades de la fuente, justamente donde el nivel de falla es mayor y donde se debiera actuar con más rapidez. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA


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R BC

R CD



40




Selectividad con relés de tiempo inverso (cronométrica) § Ventajas

§ Ventajas

ü Selectividad conseguida por ajuste de tiempo (operación escalonada).

Característica Característica inversa I·t = k t op

ü Se

usa en líneas radiales para proteger tramos largos y/o con transf transform ormado adores res donde donde se produce produce una difere diferenci ncia a signifi significati cativa va de los niveles niveles cort cortoc ocir ircu cuit ito o entr entre e sus sus extr extrem emos os,, debi debido do a que que la impe impeda danc ncia ia del del tram tramo o a prote protege gerr es gran grande de resp respect ecto o a la impe impeda danci ncia a entre entre la prot protecc ecció ión n y la fuen fuente te..

t2

t1

t1

ü La fall falla a se acla aclara ra más más rápid rápido o que que con con relé reléss de tiem tiempo po defin definid ido. o.

ZS

A


41


d

ZL

t2

=

ZS ZS

+ ZL

B


42

Protección de sobrecorriente sobrecorriente Selección de curvas t-i de relés de tiempo inverso


Entre las curvas inversas disponibles la adecuada se seleccionará en función de las características del elemento a proteger y de la necesidad de coordinación con otras protecciones asociadas asociadas al relé.

§ Desventajas

ü Cuando las corrientes de falla en los extremos del elemento por proteger no § Curvas inversas (I·t = k)

difieren mucho. En estos casos, no se aprovechará la característica inversa de las protecciones dado que las corrientes de falla variarán dentro de un rango muy angosto. ü

ü Si no existen requisitos especiales de coordinación, la elección recaerá

Cuando la impedancia de la fuente varía apreciablemente con la capacidad de generación conectada al sistema, dado que también se puede presentar la condición anterior con generación mínima.

sobre las curvas menos inversas (normal inversa). ü Se utilizan especialmente en líneas radiales cuando la corriente de

cortocircuito difiere apreciablemente entre los extremos del tramo a proteger.


43


44



Selectividad con relés de tiempo inverso e instantáneo

Selección de curvas t-i de relés de tiempo inverso

En ciertos casos es posible usar elementos instantáneos (selectividad ampermétrica) en combinación con relés de tiempo inverso (selectividad cronométrica) sin perder selectividad y al mismo tiempo, mejorar la estabilidad del Sep.

§ Curvas muy inversas (I2·t = k) ü Cuando es difícil lograr un tiempo de paso suficiente debido al bajo valor de

la impedancia de la línea.

t op

ü También son aconsejables para proteger contra sobrecargas de aparatos, ya que I2·t= k es también la característica corriente versus calentamiento de

R AB

Relés tiempo inverso Relés instantáneos

los equipos eléctricos.

R BC

R CD R D

∆t

∆t ∆t

3

§ Curvas extremadamente inversas (I ·t = k) ü Se aplica cuando es necesario coordinar esta protección con las curvas de

fusión de fusibles, cuyas características son I 3·t = K.

A

C

B

distancia

D

X F

ü También es recomendable su uso, cuando haya que restablecer el servicio

de una línea de distribución después de permanecer un tiempo prolongado fuera de servicio para obtener selectividad entre la corriente de carga fría y la de falla. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

R AB

R BC

R CD


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Selectividad con relés de tiempo inverso e instantáneo

Selectividad con relés de sobrecorriente con retención de voltaje

46

§ Ventajas Muy inversa (sin retención)

t op

ü La utilización de una unidad instantánea es recomendable cuando la relación entre las corrientes de falla del elemento a proteger sea al menos 2 ó 3 veces (diferencia apreciable).

Más inversa que las extremadamente inversas Corriente de ajuste (pickup) función del voltaje de la red

τ = K i I2 − K V V 2

ü Reducir los tiempos de operación de los relés, cuando estos tiempos aún son demasiado grandes si se utilizan exclusivamente relés de tiempo inverso, sobre todo cuando hay muchos tramos de línea por proteger.

115 V

ü El ajuste de la unidad instantánea debe ser tal que no detecte fallas más allá de su tramo encomendado. De esta manera la unidad instantánea no operará para las fallas que se produzcan en tramos siguientes a la de su ubicación y, suministrará protección de alta velocidad a una porción importante de su propio tramo de línea.


Para electromecánicos

0V 0.25

1

corriente en veces tap

Característica tiempo - corriente de un relé de sobrecorriente con retención de voltaje

47


48



Selectividad con relés de sobrecorriente con retención de voltaje § Ventajas

Coordinación Coordinación de protecciones de sobrecorriente § Consiste en organizar las curvas características tiempo-corriente de cada

ü Las protecciones de sobrecorriente se pueden usar solamente cuando

la corriente mínima de falla es mayor que la corriente máxima de carga. carga . Cuando hay un amplio rango de variación de las condiciones de generación y donde la corriente mínima de falla puede ser menor que la corriente máxima de carga, es posible usar protecciones con retención de voltaje.

uno de los relés que se encuentran en serie entre la fuente y el consumo con el fin de asegurar la selectividad de las protecciones de sobrecorriente. ü Cuando se coordinan relés, debe mantenerse un intervalo de

tiempo entre sus curvas, con el objeto de obtener una operación secuencial correcta de los interruptores. A este intervalo de tiempo se le denomina tiempo de coordinación o de paso. paso.

ü la corriente pickup está en función del voltaje de la red. Por ejemplo, al 100 § Objetivos

% del voltaje la corriente pickup es exactamente la ajustada; ajustada; conforme el voltaje disminuye se reduce asimismo el valor pickup. ü El relé se puede ajustar de modo que permita al elemento protegido tomar

ü Definir tipo de protección de sobrecorriente a utilizar.

cualquier sobrecarga permisible dentro de la capacidad del elemento (curva muy extremadamente inversa), y a la vez, sea capaz de operar rápidamente con la misma magnitud de la corriente o con una menor cuando se presenta una falla. (curva muy inversa). Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

49

ü Definir tiempo de coordinación a usar ü Determinar los ajustes de corriente y tiempo




Tiempo de coordinación

Coordinación de protecciones de sobrecorriente R AB

R BC

O : abierto C : cerrado

C

R CD R D

Reposición

relés de tiempo inverso

t op

50

R D

∆t : tiempo de coordinación

O O

C

BD

∆t

Sobrecarrera

C

∆t

R CD

O U

∆t

X

V

C

BC

Reposición

W ∆t

O BC: Interruptor C BD: Interruptor D

A

C

B

Falla on

D

RD

X F R AB Distancia aumenta desde la fuente

R BC

R CD

Fa lla o ff po r

− BD

Fa lla o ff p or

R CD − BC

U: tiempo de operación de RD

tiempo coordinación S = V + X

V: tiempo de aclaramiento de BD

tiempo operación RCD = U +

∆t

W: sobrecarrera de RCD

R D

X: margen de seguridad (incluye: W, errores de las curvas)

Corriente aumenta hacia la fuente


51


52


Ajustes Ajustes de los relés de sobrecorriente

Tiempo de coordinación

Ajustes relés de fase: Reglas Reglas generales 1. El relé de fase debe detectar fallas por lo menos hasta el extremo final del tramo siguiente al que esta protegiendo (brinda respaldo). Por ejemplo, ejemplo, en la figura el relé R AB debe detectar fallas mínimas en la barra C; es decir, R AB AB debe dar respaldo al relé R BC.

§ Factores ü Tiempo de apertura del interruptor: 0.08 seg. Ø Apertura de contactos y extinción del arco. ü Tiempo de sobrecarrera del relé: 0.10 seg.

T ap < I Falla mín

ü Error en las curvas del relé: 0.10 seg. ü Factor de seguridad: 0.02 a 0.12 seg. A

Ø Incluye otros errores, como el de los TC.

TIEMPO DE COORDINACIÓN: COORDINACIÓN:

B

D

C

X F

0.3 A 0.4 SEGUNDOS R AB

Los relés digitales tienen un tiempo de coordinación menor; sin embargo, por razones de seguridad se adopta el tiempo de coordinación de los relés electromecánicos. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

R BC


53

R CD



Ajustes de los relés de sobrecorriente sobrecorriente


Ajustes relés de fase: Reglas Reglas generales


2. El tap del relé de fase debe elegirse de modo que su pickup sea mayor que la corriente máxima de carga permitida y detecte fallas mínimas en respaldo (punto 1). Este ajuste puede ser directo o porcentual de la In del relé.

ü Ejemplo: TAP = 3 A; el relé operará cuando la corriente que circula por él

es superior a 3 A secundarios. Tap en en veces veces la la corriente corriente nominal nominal del relé B) Ajuste porcentual: Tap

A) Ajuste directo: Tap en amperes k·I nom de carga ckto ckto proteg protegido ido

T ap < < I ajuste ajuste =

54

I Falla mín

TAP(p TAP(pu) u) = TAP(A)/ TAP(A)/ In

a

K : Factor de seguridad, para permitir las variaciones de carga y

ü Ejemplo: TAP = 0.5 I/In; el relé operará cuando la corriente que circula

sobrecargas temporales, por ejemplo, carga fría.

por él es superior a 0.5·5 = 2.5 A secundarios.

Valores usuales para k: 1.2 a 1.5 e incluso hasta 2.0 en algunos casos para permitir emergencia. En motores se considera un valor de 1.05.

a : Factor de obediencia. El relé debe operar con absoluta garantía de acuerdo a lo expresado en el punto 1. Usualmente se utiliza un valor de 1.5 a 2.0. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

55


56




Ajustes relés de fase: Reglas Reglas generales 3. Ajuste de la unidad instantánea instantánea:: Para evitar que una unidad instantánea detecte fallas más allá de su propio tramo, por lo general, se le da un margen de un 25 a un 30 % de la corriente máxima de cortocircuito (generación máxima) que circulará por el relé para una falla trifásica en la barra siguiente a su ubicación. Con este ajuste, la unidad instantánea protegerá del orden de un 80 % de su tramo. Se deja una holgura de un 20% 20% en el tramo de línea para garantizar la selectividad selectividad del relé, es decir, decir, para que no sobre alcance al relé que sigue aguas abajo.

ü El Tap siempre se elije lo más próximo al límite inferior de la desigualdad anterior. ü Para que el relé tenga la mayor sensibilidad posible y así su alcance sea más allá de los indicado en el punto 1. ü En consecuencia, el factor a tiene poca influencia. ü La corriente mínima de falla se debe obtener para generación (carga) mínima del Sep y usualmente para un cortocircuito bifásico aislado de tierra. ü Si el cortocircuito esta ubicado en un punto lejano de los generadores (sistemas de distribución), se puede utilizar la relación siguiente:

Temporizado (51)

Barra aguas arriba

I CC3 φ

Instantáneo (50)

I CC 2 φ

=

3 2

X 1.3·ICC3 φ

·ICC3 φ


50 51

57

Barra aguas abajo






58

3. Ajuste de la unidad instantánea: Este ajuste puede ser directo o porcentual de la In del relé o del tap. A) Ajuste directo: Ajuste en amperes

4a. El ajuste del del dial de tiempo tiempo (lever) debe elegirse dando el tiempo más corto posible al relé más alejado desde la fuente (R D); si éste no coordina con otros elementos agua abajo (fusibles, relés térmicos, etc), deberá dársele el lever mínimo permisible que evite falsas operaciones por vibraciones. Este lever se recomienda sea el 1 para los relés americanos y 0.1 para los europeos, pero puede ser hasta 0.5 o 0.05, respectivamente.

ü Ejemplo: Ajuste = 20 A; la unidad instantánea operará cuando la corriente que circula por ella es superior a 20 A secundarios.

B) Ajuste porcentual: Ajuste en veces la corriente nominal del relé 50

Ajuste(pu) Ajuste(pu) = Ajuste(A)/ Ajuste(A)/ In

ü Ejemplo: Ajuste = 10 I/In

C) Ajuste porcentual: Ajuste en veces tap del relé

Ajuste(pu) Ajuste(pu) = Ajuste(A)/ Ajuste(A)/ TAP

ü Ejemplo: Ajuste = 10 I/TAP


59


60





R AB

R BC

t op

R CD R D

R AB

Relés tiempo inverso

relés de tiempo inverso

t op

∆t : tiempo de coordinación

R BC

∆t

∆t

∆t

∆t ∆t A

B

∆t

R BC

A

R CD

C

B

distancia

D

X F

R D

R AB Dist ancia aumenta desde la fuente

∆t

D

C

X F R AB

R CD R D

Relés instantáneos

R BC

R CD

R D

C orriente aumenta hac a i la f uente Distanc ia aument a des de a l fu ent e

Corr iente au menta ha hacia la fuente

4b. El relé ubicado inmediatamente aguas arriba, deberá coordinarse con el que le 4c. Cuando adicionalmente existen elementos instantáneos, la coordinación se

antecede, dándole el tiempo de coordinación más el tiempo de operación del relé con que se coordina (el que antecede), en el punto donde el relé que le antecede ve la máxima falla (justo a la derecha de su TC o idénticamente en la barra de su ubicación). Como tal se considera generalmente una falla trifásica, con generación máxima. Por ejemplo, el lever del relé RBC debe calcularse con el tiempo de operación del relé RCD para una falla en la barra C con generación máxima más el tiempo de coordinación !t. coordinación ! t. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

realiza con el mismo criterio expuesto anteriormente. Excepto que el punto de coordinación se hace a partir del ajuste del elemento instantáneo del relé con que se coordina (el que antecede), en lugar de la corriente de falla máxima vista por el relé que antecede . Por supuesto, el ajuste del instantáneo del relé es menor que la corriente de falla máxima vista por éste. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de Ingeniería Eléctrica-Electrónica Eléctrica-Electrónica UTA

61




Ajustes relés de tierra: tierra: Reglas generales

62

§ Relés de tierra, residuales, homopolares, de neutro

5. Debe verificarse la coordinación para otro tipo de fallas. La coordinación se hace a falla máxima (generación máxima) de manera que permanezca para corrientes menores menores considerando que todas las curvas son de la misma inversalidad.

A

B

C

IA 2 5 r o t p u r r e t n I

6. Todo lo explicado es válido para redes radiales. ü En sistemas en anillo y líneas en doble circuito deberá usarse relés con control direccional.

IB IC Ia

Ib A

Ic B

3I 0

3I 0 C

RT

Relé residual

RT

Relé residual

Relés de fase


63


64



Ajustes relés de tierra: Reglas Reglas generales

Ajustes relés de tierra: tierra: Reglas generales § Utilidad del relé residual

§ Defectos que producen corrientes de secuencia cero

ü El relé de tierra tiene una sensibilidad adecuada para detectar cortocircuitos a tierra de pequeña magnitud.

ü Cortocircuito monofásico a tierra ü Cortocircuito bifásico a tierra

ü Muchos cortocircuitos monofásicos en redes de distribución son de este tipo.

ü Cargas desequilibradas aterrizadas ü Apertura de fase de sistemas aterrizados

§ Corriente de secuencia

§ Defectos que no producen corrientes de secuencia cero

ü En operación normal de sistemas aterrizados las cargas están equilibradas o levemente desequilibradas. Así, por el relé residual no circula o circula una leve corriente (3·I0).

ü Cortocircuitos trifásicos ü Cortocircuitos bifásicos

ü El tap del relé residual debe elegirse de modo que sea mayor que la que la corriente máxima normal de tierra (3·I0max) que se estimará considerando la corriente nominal de carga.

ü Cargas desequilibradas no aterrizadas ü Apertura de fase de sistemas no aterrizados Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

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Ajustes relés de tierra: Reglas Reglas generales

Ajustes relés de tierra: tierra: Reglas generales

7. Ajuste de relés residuales: Para estos relés son válidos los mismos puntos mencionados anteriormente, excepto lo indicado al comienzo del punto 2. El ajuste adecuado debe satisfacer la desigualdad siguiente:

< I ajuste = T ap < k ·I nom de carga ckto proteg protegido ido ajuste

66

ü Valores de a: Desde 1.5 a 2 ü La corriente de cortocircuito mínima se determina con generación mínima.

I CC1φ mín a

ü Para determinar los ajustes es necesario cumplir una serie de etapas

previas, que se resumen a continuación, suponiendo que el tipo de relé (inverso, muy inverso, etc.) está ya decidido, y que se conocen las razones de los TC a usar.

ü Valores de K: Ø Zona generación (0.10): Corriente más equilibrada, para no dañar generadores sólo se permite un leve desequilibrio.

ü También es necesario disponer de las curvas características de los relés

Ø Zona distribución (0.45): Mayor desequilibrio, se le da más holgura al ajuste.

y papel de escala logarítmica para trazarlas ( no necesario para relés digitales).

Ø Zona de transmisión (0.10 a 0.45): El ajuste es menor más cerca de la generación y mayor más próximo a la distribución. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

67


68



Etapas a seguir para calcular los ajustes


1. Dibujar el diagrama unilineal del Sep radial al cual se se le esta aplicando la protección de sobrecorriente, indicando los parámetros de cada uno de sus componentes. Reducir a por unidad todos los parámetros en base común.

7. Calcular Calcular las las curvas curvas (lever). (lever).

2. En puntos donde existan relés; calcular calcular las corrientes nominales de los equipos.

•

Método gráfico: Se requieren las curvas para cada relé.

3. Calcular las corrientes máximas de fallas (con plena generación) y las mínimas (con generación mínima) para cada uno de los puntos donde se consulten relés y expresarlas en la base común de voltaje.

•

Método analítico: Se requiere sólo la curva de 100 % (curva máxima) para cada relé, o bien, sólo las funciones de las curvas para los relés digitales.

4. Calcular los taps de las unidades de tiempo y los ajustes de las unidades instantáneas de los relés en términos secundarios. 5. Reducir los ajustes de los relés en términos primarios y expresarlos expresarlos en una base común de voltaje. Verificar que den los respaldos correspondientes para fallas mínimas. 6. Determinar Determinar si procede procede el uso de elementos instantáneo instantáneos. s.


69





6.1 Método gráfico para de terminar la curva:

R B;Tap B t B,C

∆t A

=

← M A ,C

t B, C

= t A,C + ∆t

ü Se calcula t A,C a partir de la curva de RA para la corriente de falla máxima en veces Tap A (M A,C).

R A;TapA

M B,C

Pto coord.

Tap A

t A ,C

t A,C

RA

ü Se desea coordinar el relé RB con el relé RA, los ajustes de este último son conocidos.

I CC3φ máx A

ü La coordinación se realiza en el punto de máxima falla para RA, que también es observada por RB. Esta corriente se calcula para falla 3" 3" con generación máxima.

=

ICC3φ máx en A RB

70

6.1 Método gráfico para determinar la curva: M A,C

B


leverB

ü Se calcula el tiempo de operación para el RB como tB,C = t A,C + !t !t que corresponde a la misma corriente de falla máxima en veces TapB (MB,C).

I CC3φ máx A Tap B

ü Se ingresa al plano t – i del RB marcando el par ordenado (MB,C; tB,C).

← (M B,C ; tB,C )

ü Este punto coincidirá con alguna de las curvas o quedará cerca de ellas, determinando la curva buscada. ü Siempre conviene aproximar a la curva superior o bien dejar una curva intermedia.


71


72





6.2 Método analítico para determinar la curva:

Coordinación con elementos instantáneos

ü Se requiere la curva de 100% del relé RB.

M A,C

ü La coordinación, como en el método gráfico, se realiza en el punto de máxima falla vista por el relé RA.

R B ;TapB

t

t

ü Se calcula t A,C a partir de la curva de RA para la corriente de falla máxima en veces TapA (M A,C).

t B,C

≥ ∆t

' B

t B'

ü Se calcula el tiempo de operación para el RB como tB,C = t A,C + !t !t que corresponde a la misma corriente de falla máxima en veces TapB (MB,C).

B

A

Tap A

t A, C

← M A ,C

t B,C

= t A,C + ∆t

ICC3 φ X

ü Se determina la curva de RB en porcentaje por:

I ajuste50 ajuste50 R A

t A,C

ü Para MB,C; se calcula el tiempo de operación para RB en la curva 100%.

Curva RB % =

R A;TapA

∆t

=

RB

RA

5 0-51

50- 51

Ia juste 50 50 R k

=

1 .2

A

−

=

leverB

← ( M B , C ; t B, C )

= k ⋅ IC C3C3φ 1 .3

Pto coord.

t B,C

I ajuste 50 R A

M B,C

Tap B

·100 t B,C (cur (curva100 va100%) %)



73


Protección completa de un alimentador trifásico A


B

C

Coordinación con elementos instantáneos

IA

2 5 r o t p u r r e t n I

ü La coordinación se hará a partir del ajuste de corriente de esta unidad, en vez de la corriente de falla máxima.

IB IC Ia

Ib A

ü Sin embargo, para garantizar coordinación coordinación hay que verificar que el relé RB coordina con el relé RA en todo el tramo A.

Ic B

Trip coil 52

ü Para ello, basta con verificar adicionalmente si hay coordinación ' en el lugar de instalación del relé RA. ( t B ≥ ∆t ).

+ −

ü Si no hay coordinación, entonces hay que levantar la curva en este punto considerando el tiempo de coordinación y determinar la ' curva correspondiente ( t B = ∆t ).

A

B

C

Relés de fase

Fa llll a

R el el és és qu qu e a ct ct úa úa n

a-g

A

b-g

B

c-g

C

a-b

A, B

b-c

B, C

c-a

C, A

a-b-g

A, B

b-c-g

B, C

c-a-g

C, A

a-b-c

A, B, C

a-b-c-g

A, B, B, C

C Contactos relés

Ø La corriente de falla para una falla monofásica depende de las tierras del sistema así como de la resistencia de tierra de las torres. Puede suceder que esta corriente sea menor que la corriente de carga.

Ø En estos casos no será posible atender tales fallas mediante este esquema.

8. Dibujar Dibujar las curvas curvas de los relés relés en un gráfico gráfico log-log. log-log. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

74

75


76

Protección completa de un alimentador trifásico A

B

Ejemplo 1: Cálculo de ajustes

C

Falla IA

2 5 r o t p u r r e t n I

IB IC Ib

Ic

A

Relés de fase

C

G

3Ia0 Trip coil 52

A

+ −

Relé residual G

a-g

A, G

b-g

G

c-g

C Contactos relés

' = 0.15 0.15 pu bp. bp. d

C

c-a

C, A

a-b-g

A, G

b-c-g

C, G

c-a-g

C, A, G

a-b-c

A, C

500 5

5 Mva

x

200 5

49 / 50

0.415 kV

6.6 kV

' .1 5 p u b p. p. = 0 .1 d

I p = 6I n M.I

2 Mva x = 0.15 Ω L

10 0 5

150 5

500 5

5 Mva

51RV

R4

x

R1

51RV

R4

R3

51

R2

' = 0 . 15 15 p u b p. p. d

51/ 50

Alimentador

6.6 / 0.415 kV 1Mva x T = 6 % b .p .p

100 kVA

Fusible

1

300 A

500 5

5 Mva

51RV

R4

A, C

ü Los relés a considerar son de la English Electric:

Ø Durante condiciones normales y durante fallas trifásicas, la corriente residual será muy pequeña (cero, red totalmente balanceada); en consecuencia, en una u otra condición, el relé residual no actuará.

Ø R1 (protege al motor): 49/50 Ø R2 (protege al transformador) tipo CDG 11: 51/50

Ø Por lo tanto, el ajuste del relé residual se hace independiente de la corriente de carga y de hecho, en un valor mucho más pequeño.

Ø R3 (protege a la línea) tipo CDG 11: 51

Ø Además, no es necesario usar los tres relés de fase para la detección y protección de fallas de fase. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

2

6.6 kV 6.6 kV

A

b-c

a-b-c-g

x

C, G

a-b Ia

3

Relés qu que actúan

Ø R4 (protege a los generadores) tipo CDV 22: 51V 77



78


ü Curva de operación del fusible (alimentador) ü Curva de operación relé R2 y R3 (transformador y línea)

Ø Fusible de 300 A nominales, de característica de operación fija, se tabula en: I(A)

80 0

1 28 28 0

22 40 40

t(seg)

50

3.0

0. 2

Ø La curva de tiempo inverso (51) para lever máximo (1.0) se tabula en:

ü Curva de operación relé R1 (motor) Ø Elemento térmico (49), de característica de operación fija, se tabula en: I(A)

192

240

800

t(seg)

60

34

13

I(veces tap)

2

3

4

5

6

7

8

10

12

14

16

20

t(seg.)

10

6.2

5.0

4.3

3.85

3.6

3.35

3.0

2.75

2.6

2.5

2.2

Ø La unidad de tiempo inverso (51) dispone de los siguientes taps: 4, 5, 6, 8, 10, 12 y 16 A. Suponga que la unidad instantánea (50) dispone de un ajuste continuo de corriente.

Ø Elemento instantáneo (50) dispone de un ajuste continuo de corriente.


79


80


Ejemplo 1: Cálculo de ajustes 1.

ü Curva de operación relé R4 (generadores) Ø Relé con retención de voltaje. Con voltaje nominal tiene un pickup de 100% el valor del tap. Si el voltaje baja de un valor que se puede elegir (por ejemplo 70%), el relé opera con el 40% del valor del tap. Las curvas para lever máximo (1.0) se tabulan en:

Circuit Circuito o equival equivalente ente en por por unida unidad d Ø Valores bases

= 5 M va

SB

VB1 = 6.6 kV

C. operaci operación ón

(A): (A): En falla, falla, voltaje bajo

(B): En sobrecarga, voltaje normal

I B1 = 437.4 A

I(veces tap)

t(seg)

t(seg)

Ø Valores en por unidad

2

1 0. 0

20

3

6. 2

12

4

5. 0

9. 3

5

4. 3

7. 8

7

3. 6

6. 4

10

3. 0

5. 2

15

2 .5 5

4. 2

20

2. 2

3. 6

I B2

VB2

= 0 .4 .41 5 kV ⇒

= 6956 A

xS

= 0.15 0.15

xS

= 0.15/ 0.15/ 3 = 0.05 0.05

xL

.1 5· 5·5 / 6 .6 .62 = 0 .0 .01 72 72 = 0 .1

xT

06·5 / 1 = 0. 3 = 0. 06

(gene (generac ración ión mínim mínima) a) (gen (gener erac ació ión n máxima) máxima)

Ø Los tap disponibles son: 4, 5, 6, 8, 10, 12 y 16 A. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA


81

Ejemplo 1: Cálculo de ajustes xS

R4

1∠0º


3 1

2.

R1

2 R3

xL

R2

xT

82

Calcular las corrientes corrientes nominales nominales de los equipos equipos en cada punto donde existe un relé

M.I

Ø Corriente nominal línea: R3

IL 2.

Calcular Calcular las corrientes corrientes nominales nominales de de los equipos equipos en cada punto punto donde donde existe un relé

= 1 00 00 /

3 / 6 .6 .6 = 175 A

Ø Corriente nominal generadores: R4

IG

Ø Corriente nominal motor (lado 415 V): R1

IM

= 2000 /

= 5000 /

3 / 6 .6 .6 = 43 7. 7. 4 A

3 / 0 .4 .41 5 = 1 39 39 A

Ø Corriente nominal transformador (lado 6.6 kV): R2

IT

= 1 00 00 0 /

3 / 6 .6 .6 = 8 7. 7. 5 A


83


84



3.

Calcular los ajustes ajustes de los los relés en términos términos secundario secundarioss

Calcular Calcular las corrientes corrientes de falla falla máxima máxima y mínima en base base común de voltaje voltaje (6.6 kV) Ø R1: protección del motor

Ø Se calcularán sólo cortocircuitos trifásicos en las respectivas barras min

= 2.14 pu·IB1 = 936 A

min

= 6 pu·IB1 = 2624 A

= 2.72 pu·IB1 = 1190 A

I F1

max

= 15 pu·IB1 = 6561 A

I F2

max

= 20 pu·IB1 = 8748 A

I F3

I max F1 IF2

I F3

min

q Elemento térmico (49): Normalmente se ajusta con un pickup de 105 % de la corriente nominal del motor:

T ap ap 49− R1

= 1 .0 .0 5· 5·I M = 1. 05 05·1 39 39 ·5 / 1 5 0 = 4 . 9 A

q Elemento instantáneo (50): Para evitar que opere con la corriente de partida del motor, su ajuste debe elegirse por sobre esta corriente, un valor apropiado sería:

= 6.7 pu·IB1 = 2930 A

A ju ju st st e50 − R1



85


= 8·I M = 8·1 39 39·5 / 15 0 = 37 37 A

86


Calcular Calcular los ajustes ajustes de los relés relés en términos términos secundari secundarios os

4.

Calcular los ajustes ajustes de los los relés en términos términos secundario secundarioss Ø R3: protección de la línea

Ø R2: protección del transformador

q Elemento de tiempo inverso (51): Instalado en lado de alta del T/F. q Elemento de tiempo inverso (51): Instalado en lado de alta del T/F.

1.3 1.3·I T

Tap 51−R 2 ≤ ≤ Tap

5.69 A ≤ Ta Tap 51−R 2

I

min F1

1.3· 1.3·87.5· 87.5·5 /100

a

≤ 32.4 A ⇒

Tap 51−R 2

≤ Tap51− R2 ≤

1.3 1.3·I L

936·5 /100 1.5

5.69 A ≤ Ta Tap 51− R 3

min I F1

a

1.3· 1.3·175·5 / 200 ≤ Tap51− R3

≤ 15.6 A ⇒

T ap 51−R 3

≤

936·5 936·5 / 200 1.5

=6 A

=6 A Ø R4: protección del generador

q Elemento instantáneo (50): Instalado en lado de alta del T/F.

A ju ju st st e50 − R 2

Tap 51−R 3 ≤ ≤ Tap

q Elemento de tiempo inverso con retención de voltaje (51V): Usualmente se acepta un 10% de sobrecarga y al 51V se le da también el carácter de sobrecarga. sobrecarga.

max = 1. 3· 3·I F1 = 1 .3 .3·1 19 19 0· 0·5 / 1 00 00 = 7 7 A


1.1 1.1·I G

87

Tap 51V −R 4 ≤ ≤ Tap

min I F2

a

1.1· 1.1·437·5 / 500 ≤ Tap51V 51V −R4

≤

2624· 2624·5 / 500


1.5

88



Calcular Calcular los ajustes ajustes de los relés relés en términos términos secundari secundarios os

4.8 A ≤ T ap ap 51V − R 4

5.

sobrec ar arg a) a) ≤ 17.5 A ⇒ Tap 51V− R 4 = 5 A (C. so

En c.falla c.falla el Tap (se trans transfor forma) ma) = 0.40 0.40··Tap51V 51V − R4

Reducir Reducir los ajustes ajustes de los relés en términos términos primarios primarios y expresarlos expresarlos en una una sola base de voltaje (6.6 kV) Ø Relé R1

0.40··5 = 2 A = 0.40

tap tap 49−R1

4.9·(150 150 / 5)· 5)·(0.4 (0.415/ 15/ 6.6) 6.6) = 9.2 9.2 A = 4.9

ajus ajuste te50− R1

Resumen de ajustes en términos secundarios

37·(150 150 / 5)· 5)·(0.4 (0.415/ 15/ 6.6) 6.6) = 70 A = 37·

Ø Relé R2

Ø R1: unidad térmica (49): 4.9 A unidad instantánea (50): 37 A

tap 51− R2

120 A = 6·100 / 5 = 12

aju st st e50− R 2

Ø R2: unidad de tiempo (51): 6 A unidad instantánea (50): 77 A

15 40 40 A = 77·100 / 5 = 15

Ø Relé R3 Ø R3: unidad de tiempo (51): 6 A

tap 5 1− R 3

Ø R4: unidad de tiempo (51V): 5 A

= 6·200 / 5 = 240 A

Ø Relé R4

tap 51V− R 4 Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

89


500 A = 5·500 / 5 = 50


90

Ejemplo 1: Cálculo de ajustes 7. Dibujar en papel log-log los datos obtenidos hasta ahora

6.

Elemen Elemento toss instan instantán táneos eos

Ø Las curvas del fusible y del relé térmico, así como los ajustes de los relés.

Ø Se puede apreciar un aumento considerable de la corriente de falla en la barra del lado de alta del transformador respecto a su lado de baja. Esto se debe a que la Z del transformador es alta en relación a la Z desde el lado de alta del transformador hacia la fuente. ma x

ma x

I F 2 / I F1

Ø Como todo debe expresarse en una base común de voltaje de 6.6 kV, las curvas del fusible y de la unidad térmica quedarán:

= 6561 /1 / 1190 = 5.5 > 2

Eleme Elemento nto

Ø En cambio, como la impedancia de la línea es baja respecto a la de la fuente, no hay tanto aumento del extremo más cercano de la línea en relación al más lejano. ma x

m ax

I F 3 / IF 2

Fusible

= 8748 / 6561 = 1.33 < 2 Relé térmico


91

415 415 V 6.6 kV t(seg) I(A) I(A) 800

50

50

1280

80

3

2240

140

0 .2

192

12

60

240

15

34

800

50

13


92


Ejemplo 1: Cálculo de ajustes 8. Determinar la posición del dial de tiempo (lever) de cada relé de tiempo inverso

Determinar Determinar la posición posición del del dial de de tiempo tiempo (lever) (lever) de cada cada relé de de tiempo tiempo inverso inverso

Ø Relé R3

Ø Relé R1 y fusible

q El relé térmico del motor (49) y el fusible del alimentador son de características fijas y están definidas en el punto anterior.

Ø Relé R2 q R2 debería coordinarse con R1 en el valor del instantáneo de R1 que es de 70 A. Si embargo, como el tap de R2 es superior (120 A), la coordinación entre ambas curvas queda satisfecha independiente del lever que se elija para R2. En consecuencia, a R2 se le puede dar el lever 0.1 (menor tiempo de operación).

q R3 debe coordinarse con R2 en el punto de 1540 A, que corresponde al instantáneo de R2. Para esta corriente (punto de coordinación) se tiene: o

Tiempo de operación de R2 es aprox. 0.27 seg.

o

Tiempo de operación de R3 debería ser:

El tiempo de operación de R3 en el punto de coordinación para lever máximo (curva 100%) aprox. es:

o

q Para lever 0.1 habrá que considerar el 10% del tiempo respecto a la curva de lever máximo (curva 100%).

M R 3, C

51 – R2, lever 0.1 (curva 10%), tap 120 A I(veces tap)

2

3

4

5

6

7

8

I(A)

240

360

480

600

720

840

960

t (s (seg)

1

0.62

0.5

0.43 0.38 0.36 0.33

10

12

Inst.

o

0.27

L R 3,C

Inst .

t ( M R 3 ,C )

3 .7 seg = 3.

0 .67 / 3. 3.7 = 0. 0 .18 = t R 3,C / t (MR 3,C ) = 0.

• Se elegirá el lever 0.2 (20 % del lever máximo = curva 20%).

q La curva se dibuja hasta 1540 A que corresponde al ajuste del instantáneo. Protecciones en redes eléctricas - Escuela Universitaria de I ngeniería Eléctrica-Electrónica ectrónica UTA

6 .4 ⇒ = 1540 / 240 = 6.

El lever para R3 será:

1200 1 44 440 1 54 540 0.30

0.27 + 0. 0.4 = 0. 0.67 seg = t R 2 ,C,C + S = 0.

t R 3,3,C

93


94


Ejemplo 1: Cálculo de ajustes tiempo inverso 8. Determinar la posición del dial de tiempo (lever) de cada relé de tiempo

8. Determinar la posición del dial de tiempo (lever) de cada relé de tiempo inverso Ø Relé R4

Ø Relé R3

q R4 debe coordinarse con R3 para falla máxima en el sector de R3. Para esta falla, la corriente de cortocircuito que circula por un generador es de 2950 A; por lo tanto, R4 deberá coordinarse con R3 a partir de este valor. Para esta corriente (punto de coordinación) se tiene:

q La curva 20 % para R3 se tabula en la tabla siguiente: 51 – R3, lever 0.2 (curva 20%), tap 240A

Tiempo de operación de R3 es aprox. 0.55 seg.

o

I(veces tap)

2

5

7

10

12

20

I(A)

480

1200

1680

2400

2880

4800

t(seg)

2

0.86

0.72

0.60

0.55

0.44

o

Tiempo de operación de R4 debería ser:

t R 4,4, C

0.95 se seg = t R 3,3,C + S = 0.55 + 0.4 = 0.

El tiempo de operación de R4 en el punto de coordinación para lever máximo (curva 100%) aprox. es:

o

será: 0,72 – 0.27 0.45 seg q Del gráfico, el tiempo de coordinación será:

M R 4,C

= 2930 / 200 = 14.7 ⇒

t ( M R 4 ,C )

2.55 se seg = 2.

• El tap primario de R4 (500 A), en condiciones de falla se transforma en 200 A.


95


96



10 2 80

tiempo inverso 8. Determinar la posición del dial de tiempo (lever) de cada relé de tiempo

B

1

50

Térmico

40

Fusible

4

49 30

Ø Relé R4

A

20

o

El lever para R4 será:

L R 4,C

r o a d e r e n G 5 1 R V

T/F

= t R 4,C / t (MR 4,C ) = 0.95 / 2.55 = 0.37

2

10

51/50

7.0 5.0

• Se elegirá el lever 0.4 (40 % del lever máximo = curva 40%).

3 Línea

3.0

q Las curvas en falla y para sobrecarga se tabulan como sigue:

51

2.0

t =0.7 seg

51V – R4, curva B en sobrecarga, lever 0.4, tap 500 A

1.0 t = 0 . 45 s e g

0.7

I(veces tap)

2

3

4

5

7

10

I(A)

1000

1500

200 0

2500

3500

5000

t(seg)

8

4. 8

3.72

3.12

2 .5 6

2 .0 8

0.5

t = 0 . 4 5 s eg

0.4 0.3 0.2

Instant.70 A 0.1

Existe un cruce entre la curva 3 y 4 A. Esto no tiene importancia, ya que 4 A considera sólo condiciones de falla con corrientes superiores a 936 A, que es la falla mínima en la barra 1. El tiempo de paso para esta condición es de 0.7 seg; superior a lo mínimo.

0.08

51V – R4, curva A en falla, lever 0.4, pickup 40 % el tap = 200 A

0.05

I(veces tap)

2

3

4

5

7

10

15

20

I(A)

400

600

800

100 0

1400

2000

3000

4000

t(seg)

4

2 .4 8

2

1.72

1 .4 4

1.2

1. 0 2

0. 8 8

0.03

Instant.1540 A 0.02

0.01 10


97

15

20

30 4 0 50 50 60 8 0 102

15 0 2 0 0

50 0

7 00

103

2 00 0 3 00 0

5 00 0 70 70 00 104


98

Cap 3 Rele Sobrecorriente Protecciones

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