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PROTECCION DE DISTANCIA 1.
INTRODUCCION:
Una de las formas de detectar una anormalidad en un sistema eléctrico de potencia es medir su impedancia o reactancia, en un punto dado. Para este fin, la información de voltajes y corrientes se entrega a relés de protección que miden en todo instante la impedancia o reactancia por fase en el sentido de operación y que actúan cuando sus magnitudes bajan de un cierto valor. A las protecciones que operan bajo este principio se les denomina: “Direccionales de distancia” y se emplean principalmente en la protección de líneas de transmisión. Puesto que la impedancia de una línea de transmisión es proporcional a su longitud, para medir "distancias" se utiliza un relé capaz de medir la impedancia de la línea hasta un cierto punto. Este tipo de protección se diseña para operar solamente con fallas que ocurran entre el punto de ubicación de los relés y un punto dado de la línea, de modo que puedan discriminar entre fallas que ocurran en diferentes secciones de ella. Las protecciones de distancia son relativamente simples de aplicar, poseen una alta velocidad de operación y pueden proporcionar protección tanto principal (local) como de respaldo.
2.
En los circuitos de trasmisión de alta tensión, los niveles de corriente de falla son altos, por lo cual si una falla no es despejada rápidamente, puede causar inestabilidad al sistema de potencia así como daños al personal o al equipamiento. Por esta razón, los relés de distancia son empleados en vez de los relés de sobrecorriente. RELE DE DISTANCIA:
Las ventajas de aplicación de relés de distancia, en comparación con los relés de sobrecorriente son: ჱ mayor zona de operación instantánea ჱ mayor sensibilidad c oordinar ჱ más fáciles de ajustar y coordinar ჱ no son afectados por los cambios en la configuración del sistema de potencia Un relé de distancia calcula impedancia como el cociente entre la tensión y corriente, en su ubicación en el sistema de potencia, para determinar si existe una falla dentro o fuera de su zona de operación. Dado que en las líneas de trasmisión la impedancia de la línea es proporcional a su longitud; es apropiado utilizar relés de distancia para medir la impedancia de la misma desde la ubicación del relé hasta un punto determinado (lugar de la falla). De allí que a los relés de impedancia se los llame relés de distancia. 3.
TIPOS DE RELES DE DISTANCIA: Son denominados por el numero 21, representan unos tipos de
reles son conocidos por: ჱ Rele de Impedancia ჱ Rele de reactancia ჱ Rele de admitancia o Mho Los cuales veremos mas mas detalladamente a continuación:
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a) Rele de Impedancia: De un modo general el principio de funcionamiento del Rele de Impedancia puede ser representado simbolicamnete por el siguiente esquema:
En este esquema, la magnitud que actua sobre el brazo del rele: ჱ La tensión que es una magnitud de restricción produce un par negativo, es decir, de lo contrario a la acción cerca del rele. ჱ La corriente eléctrica y la magnitud de la operación produce un par positivo, es decir, la acción cerca del contacto del rele Su diagrama unifilar del rele de impedancia 21, es mostrado a continuación:
La acción de fuerzas que actúan en el brazo producen un toque resultante motriz, que se ve a cntinuacion:
Donde: Km es el torque debido al muelle de restricción.
Limitar la operación del rele de impedancia, el torque resultante nulo. Por lo que la expresión nos quedaría:
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El termino
( ) √ √
de la expresión anterior lo cambiamos por
y la expresión nos queda:
Esta expresión debe ser aplicada en el momento de defecto del sistema, por lo que la corriente de corto circuito es grande, esto es: Asi mismo la expresión del periodo de corto circuito será:
Tenemos que la impedancia es representada por un numero complejo, dado por:
Considerando la ecuación anterior llegamos a la conclusión:
Note que esta ecuación es la de una circunferencia con el dentro en el origen en K, como vemos en la siguiente figura: A C I T R A Z E M Ó G . A A N A I D
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ZONA DE ACTUACION Y TIEMPO
Considerando un rele de Impedancia con 3 zonas , una regulación de impedancia de tiempo debe ser hecha para cada zona por separado. Una filosofía de regulación y ajuste de tiempo de coordinación se resume en los siguientes ítems: 1ra zona: Ajuste al valor de: Z1zona=80% de LT ajustada al rele
Temporizacion1= Cero, actua como elemento instantáneo del rele. 2da zona: Regulacion con: Z2zona=100% de LT + (50-60)% de LT siguiente
Temporizacion2= T2=∆t 3ra zona: Regulación con: Z2zona=100% de LT + 100% de LT siguiente+(20-30)% de la próxima LT
Temporizacion2= T3=T2+∆t=2∆t La siguiente figura muestra un diagrama unifilar representando las zonas de actuación del rele A, y sus tiempos de actuación:
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DIAGRAMA FUNCIONAL EN DC DE OPERACIÓN DEL RELE DE IMPEDANCIA Cada fabricante presenta un diagrama funcional en corriente directa de su rele de impedancia. A continuación se presenta un diagrama funcional en DC de un rele de Impedancia:
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b) Rele de Reactancia: Un tipo de estos relés posee una característica de tiempo directamente proporcional a la impedancia del circuito. Su funcionamiento es muy rápido cuando se producen fallas cerca del generador (Central), y puede ser bastante retardado cuando el cortocircuito es lejos del generador (Central). Otros tipos de relés de impedancia, o de reactancia, poseen características de tiempo escalonado. Están ajustados para funcionar instantáneamente en caso de producirse un cortocircuito en los primeros 80% a 90% de la impedancia de línea (no olvidar que la impedancia de las líneas es distribuida), funcionando con un retraso suficiente en el segundo escalón de modo que se pueda conseguir selectividad con los relés del circuito que se inicia a partir del segundo escalón (ver figura anterior). Aun así, existe un tercer escalón de tiempo que permite mayor seguridad o protección de respaldo para el circuito adyacente. La figura anterior, muestra como se ajusta el tiempo de los relés para conseguir una completa selectividad contra fallas en cualquier sección. En el caso que la potencia pueda ser suministrada en ambos sentidos, es necesario que estos relés de impedancia estén dotados de elementos direccionales, con fines de enclavamiento. Esta protección, es aplicable, principalmente, en la protección de alimentadores largos, existiendo una longitud mínima, a partir de la cual resulta razonable su uso. A modo ilustrativo, el arco provocado por un cortocircuito posee una resistencia que puede afectar al resultado de la protección por impedancia. Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia
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El relé de reactancia es mas insensible, en tal caso, pero también, es mas costoso.
c) Rele de Admitancia: Es un rele de distancia (21) que sigue la misma filosofía del rele de impedancia, pero con una característica un poco diferente. El rele de admitancia del tipo electromecánico tiene un cilindro de inducción, donde actúan dos grandes magnitudes que son: Corriente eléctrica que produce el torque de operación Tension eléctrica que produce el torque de restricción. Por estas dos magnitudes son producidos dos flujos magnéticos en el rele de admitancia, el cual es el torque motor, que veremos en la siguiente expresión: Lo cual reducimos a:
Como sabemos la impedancia Z es la inversa de la admitancia Y, lo cual esta expresión El lugar geométrico del diagrama jX*R de la impedancia Z que satisface la expresión anterior, esto es limite de operación del rele y ahora se muestra una circunfetencia como esta en la figura:
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Esta circunferencia tiene algunas características, como que pasa por el origen y su diámetro vale:
Y su diagrama unifilar es el siguiente:
REGULACION DEL RELE DE ADMITANCIA Como el rele de admitancia tiene tres zonas como muestra la figura la regulación sera como el visto en el rele de impedancia
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1ra zona: Ajuste al valor de: Z1zona=80% de LT ajustada al rele
Temporizacion1= Cero, actua como elemento instantáneo del rele. 2da zona: Regulacion con: Z2zona=100% de LT + (50-60)% de LT siguiente
Temporizacion2= T2=∆t 3ra zona: Regulación con: Z2zona=100% de LT + 100% de LT siguiente+(20-30)% de la próxima LT
Temporizacion2= T3=T2+∆t=2∆t
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OSCILACION DE POTENCIA El sistema de potencia, en régimen estacionario, opera muy cerca de su frecuencia nominal y las magnitudes de las tensiones en las diferentes barras no varían más de un 5%. Por lo tanto, existe un balance entre la potencia activa y reactiva generada y la consumida. Cualquier cambio en la potencia generada, potencia demanda o en el sistema de potencia causa cambios en la transferencia de potencia del sistema, que oscila hasta alcanzar otro punto de equilibrio entre la generación y la carga. Estos cambios ocurren permanentemente y son compensados por los sistemas de control. Perturbaciones que causan oscilaciones de potencia: - las faltas en el sistema de potencia, - las conexiones de líneas de trasmisión, - las desconexiones de generadores o - la pérdida o aplicación de grandes bloques de carga Estas perturbaciones resultan en cambios repentinos en la potencia eléctrica, mientras que la potencia mecánica se mantiene constante. Dependiendo de la perturbación y de la acción de los controladores las oscilaciones pueden ser estables o inestables.
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La oscilación de potencia puede hacer que la impedancia vista por un relé entre en su característica de operación; y la operación de estos relés puede hacer que salgan de servicio líneas de trasmisión u otros componentes, haciendo más débil el sistema, aumentando la gravedad de la perturbación. Los relés, funciones y zonas de distancia que pueden operar durante una oscilación de potencia deben ser bloqueados temporalmente. En los relés de distancia modernos se tienen disponibles las funciones: - PSB: Bloqueo por oscilación de potencia (power swing blocking). - OST: Disparo por oscilación de potencia (out-of-step tripping). Protección de Sistemas Eléctricos de Potencia
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PSB: BLOQUEO POR OSCILACIÓN DE POTENCIA: Esta función diferencia entre una falta y una oscilación de potencia y bloquea el relé de distancia durante una oscilación de potencia y previniendo el disparo. Además, debe permitir detectar y despejar las faltas que ocurren durante una oscilación de potencia. El disparo indebido de interruptores durante una oscilación de potencia puede causar daño al equipamiento y contribuir al apagón en varias áreas del sistema. Por lo tanto, es necesario, el disparo controlado de ciertos elementos en determinados puntos del sistema para evitar daño al equipamiento y minimizar los efectos de la perturbación. OST: DISPARO POR OSCILACIÓN DE POTENCIA: Esta función diferencia entre una oscilación estable de una inestable y permite disparar algunos elementos del sistema para evitar el daño de los equipos y que la perturbación se extienda en el sistema. Cuando dos áreas de un sistema de potencia o dos sistemas de potencia interconectados pierden sincronismo, tanto las áreas como los sistemas deben separarse en forma rápida y automática para evitar daños en los equipamientos o apagones. Idealmente, un sistema debe separarse en determinados lugares formando “islas”, subsistemas o áreas independientes en que se manteng a el balance entre generación y carga en cada área. Cuando el sistema se separa en áreas no siempre se alcanza el balance generación-carga, en cada una de ellas. En estos casos, se implementa un sistema de rechazo de carga o disparo de generación, para lograr el equilibrio y evitar el apagón en esas áreas. COMPORTAMIENTO DEL RELÉ DE DISTANCIA DURANTE UNA OSCILACIÓN DE POTENCIA La pérdida de sincronismo entre sistemas de potencia o entre un generador y el sistema de potencia afectan los sistemas de protección de las líneas de trasmisión. En particular, algunos relés utilizados en las líneas de trasmisión pueden operar para oscilaciones de potencia estables. RELÉ DE SOBRECORRIENTE Los relés de sobrecorriente de fase instantáneos pueden operar durante una oscilación de potencia si la corriente que circula por la línea durante la oscilación supera el valor de ajuste del relé. Los relés de sobrecorriente de fase temporizados probablemente no operen durante una oscilación de potencia; pero esto depende la magnitud de la corriente y del tiempo ajustado. RELÉ DE DISTANCIA Los relés de distancia responden a los valores de secuencia positiva. La impedancia medida por el relé durante una oscilación de potencia varía en función del ángulo δ, entre las tensiones equivalentes del sistema. Durante una oscilación de potencia pueden operar tanto la zona 1, que generalmente es instantánea, como las zonas utilizadas en los esquemas de teleprotección. Las zonas de respaldo temporizadas, generalmente no operan durante una oscilación de potencia, pero eso depende de sus ajustes. La Fig.7 (a) muestra como el lugar geométrico de la impedancia cruza la zona 1 y la Fig.7 (b) muestra un esquema de teleprotección y como se ve afectado por la impedancia medida.
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