Protección en HVDC

ITCR. Marín. Preparación de reportes escritos informativos.

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PROTECCIONES SISTEMAS HVDC Alejandro Marin Marin Z. e-mail: [email protected]

RESUMEN:

El trabajo de grado consta básicamente de hacer una introducción al estudio de las protecciones en sistemas HVDC y posteriormente aplicar el concepto de las ondas viajeras para que a través de una simulación se puedan ver los efectos de este tipo de protecciones en un sistema de interconexión entre Colombia y Panamá. Los resultados obtenidos muestran cómo opera este tipo de protección ante diversas fallas y las ventajas de aplicar, este tipo de conceptos en protecciones de sistemas HVDC.

queda solucionado si se implementan sistemas HVDC, ya que en condiciones de estado estable no se presenta este fenómeno. Muchos de estos cables se instalan con el propósito y la necesidad de conectar el área continental con centros de carga ubicados en islas, conexiones entre islas o la necesidad de atravesar golfos o ensenadas.

PALABRAS CLAVE: Sistemas HVDC, Protecciones, alta tensión, onda viajera

1 INTRODUCCIÓN Dentro de un sistema de transmisión en corriente directa se requiere determinar con precisión como se configura el sistema de protección incluyendo los componentes y su funcionamiento. Este trabajo pretende de forma descriptiva y por medio de simulación en PSCAD determinar y definir todos los aspectos relevantes dentro del campo de la ingeniería, que componen el sistema de protección en HVDC, haciendo una descripción detallada de los elementos que conforman el sistema de protección y la forma en que interactúan entre sí.

2 ASPECTOS RELEVANTES DE LOS LOS SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE CORRIENTE DIRECTA 2.1 CARACTERISTICAS PRINCIPALES Esta tecnología es simple en su diseño, las líneas de transmisión aéreas en CD solo necesitan dos conductores, las torres son más livianas, y se necesita menos espacio de servidumbre. Algo que siempre se debe tener en c uenta e s que en comparación con una línea bipolar de CD, una línea de CA debe tener un arreglo de doble circuito para mantener la misma disponibilidad. Esto es porque en sistemas de HVDC la operación monopolar con retorno por tierra es posible Debido a los efectos capacitivo los cables de corriente alterna llegan a su condición de máxima capacidad de potencia en unos pocos kilómetros, en voltajes de 400kV se alcanza su máxima corriente en 50Km y en 220kV la distancia es de 80Km. Este efecto

Fig. 1 Cable submarino entre Noruega y Holanda. Fuente: ABB [12]

Hay múltiples casos en los que se puede desarrollar un sistema de transmisión eficiente, con menor impacto ambiental, en beneficio de la sociedad y de los entornos naturales. Basta citar dos casos para que se comprenda este concepto: el primero, en las Islas Baleares, en España, donde se ha evitado construir una central hidroeléctrica gracias a la posibilidad de importar energía eléctrica desde el continente por medio de cable submarino; el segundo se trata de aprovechar las fuentes de energía geotérmica (natural) de la isla de Leyte, en la parte sur de Filipinas, para generar energía eléctrica y transmitirla a la isla de Luzon, donde se encuentra la mayor parte de la población de aquel país, empleando al igual que en el primer caso la transmisión por cable submarino.

3 PROTECCIONES DEL LADO DE AC El objetivo de un sistema de protección consiste en reducir la influencia de una falla en el sistema hasta el punto que no afecte su funcionamiento o se presente algún daño considerable en él, ni tampoco ponga en peligro seres humanos ni animales.


. Los sistemas de protección deben cumplir con la función de informar sobre el evento, además de suministrar datos relacionados con la falla, de manera que se pueda establecer la localización, fecha y hora, tipo de falla, variables involucradas y su magnitud, así como tiempos de operación de los mismos relés y los interruptores. Estas condiciones son requeridas para realizar un diagnóstico adecuado del evento determinando la causa, si es un disparo erróneo, si es temporal o definitiva y si se reconecta o no el equipo desconectado antes de hacer otra prueba.

4 PROTECCIONES EN EL PATIO DE CD El propósito de los dispositivos de protección es detectar y tomar la acción apropiada en caso de fallas y otras anomalías que ocurran en el circuito. Es necesaria la protección para salvaguardar el equipo y los circuitos, y debe abarcar contingencias razonables a la vez que llevar al mínimo el impacto de las anomalías en la operación. Las comunicaciones entre terminales pueden usarse para algunas funciones de protección y para mejorar el funcionamiento, pero no se depende en ningún modo de estas para la pro tección del sistema. Mientras la protección de equipos, barras de CA y líneas es realizada actualmente por relés de protección digitales, es posible en el caso de protecciones del lado de CD que sea combinada con las funciones de regulación y control del conversor. Hay dos requisitos para establecer un buen uso del sistema de protección: Debe asegurarse la medición total del sistema de protección en caso de falla en algún tipo de componente. Un defecto no previsto del sistema o una parte de él no debe generar una interrupción. Es fácil de lograr la primera condición implementando circuitos redundantes o usando protecciones de respaldo. Se tiene una configuración de un breaker primario:

Figura 2. Sistema 2-out-of-3 [15] Si se utiliza únicamente un solo breaker, las

funciones lógicas en el “dos de tres” serán realizadas por medio de los relés auxiliares con el fin de evitar la conexión galvánica entre los subsistemas. De gran importancia son las posibilidades de monitorear todas las funciones esenciales de protección y la modificación de parámetros como tiempos de reacción, tiempos de retardo, valores de reset, etc. Si es posible, la supervisión y la modificación de parámetros se deben permitir durante la operación del sistema. La protección del circuito de energía de CD abarca el circuito completo de CD ligados por los secundarios del transformador de potencia de CA en cada terminal. La región de protección de cada terminal se divide en tres zonas principales, más una cuarta si se utiliza retorno metálico: Zona del convertidor. Zona de la línea de CD. Zona neutral. Zona de retorno metálico. Además de la protección por fallas en los circuitos, se incorpora normalmente en el control artificios específicos para la protección de las válvulas, como las siguientes: protección por bajo voltaje en CA, por sobrevoltaje en CA, protección por seguridad térmica, pérdida de potencia de control, inversión no planeada de la corriente, pérdida de corriente de control, conmutación prolongada sin corriente, protección de sobrecorriente y protección del reactor de allanamiento de ondas.

4.1 PROTECCIÓN DE LÍNEA Al momento de presentarse una falla, el voltaje en la línea colapsa, la corriente del rectificador tiende a elevarse y la del inversor tiende a caerse. Entonces el inversor debe adelantar el ángulo de disparo, si es necesario hasta más allá de los 90º, para proporcionar suficiente voltaje que mantenga la corriente de funcionamiento del inversor. Por otro lado, el rectificador aumentará de 120° a 135° el retardo en el disparo hasta la región de inversión, pero continuará manteniendo su estado de corriente. En la práctica esto se logra llevando temporalmente las dos terminales al estado de inversión despejando rápidamente la energía almacenada en el circuito de CD. El inversor continúa con la polaridad correcta, pero debe tenerse especial cuidado con el

limite de avance del ángulo de disparo, β.

5 PROTECCIÓN DE ONDA VIAJERA La detección y el despeje rápido de fallas en líneas HVDC son elementos esenciales para una operación segura de los sistemas de transmisión en corriente


. directa sobre todo si se tiene en cuenta la gran longitud con la que comúnmente se configuran estos sis temas. El principio de protección basado en la teoría de onda viajera, utiliza los transitorios generados por la falla, brindando la posibilidad de una protección más rápida. Las líneas de transmisión para HVDC son particularmente largas, por tanto no pueden ser modeladas completamente por parámetros concentrados como suele hacerse con las líneas tradicionales de CA. Lo que obliga a que las líneas de transmisión en HVDC deban estudiarse como parámetros distribuidos y deban ser protegidas por sistemas basados en la teoría de la onda viajera. De acuerdo con esta teoría, cuando se presenta un evento de falla ondas viajeras de voltaje y corriente atraviesan la línea de transmisión. Estas ondas viajeras contienen suficiente información de la falla como para elaborar una rápida identificación de ella y una buena protección de línea.

5.1 TRANSMISIÓN Y REFLEXIÓN DE ONDAS VIAJERAS Si la falla ocurre en una línea de transmisión, aparece una inyección abrupta de corriente en el punto de falla. Esta corriente viajará como una fuente en ambas direcciones de la línea y continuará circulando entre el punto de falla y las terminales hasta que se alcance el estado estable de pos-falla. Por tanto las terminales de línea recibirán cambios abruptos de voltaje y corriente. Estos cambios contienen la marca de las ondas viajeras y el intervalo de tiempo en proporción con el tiempo de viaje de las ondas entre el punto de falla y las terminales. Con la ayuda de esta información se puede detectar el tipo de falla y en donde se localiza. [11]

5.1.1 TIPOS DE TRANSITORIOS MÁS COMUNES Para el análisis de falla en sistemas HVDC, se estudian varios casos que fueron simulados, y que muestran ondas de voltaje y corriente de la línea de CD en la terminal del rectificador cuando ocurren diferentes eventos, con el propósito de poder comparar cada uno de los efectos ocasionados a la onda y permitir diferenciar fácilmente entre cada caso en particular. 1.

Condiciones de operación normal

2.

Corto circuito en línea de HVDC.

3.

Falla de conmutación en la estación inversora

4.

Corto circuito en la línea del lado de CA de la estación inversora.

Figura. 3 Transitorios en sistemas HVDC[11] Puede apreciarse que diferentes tipos de falla generan transitorios similares. Usado métodos tradicionales estos transitorios son muy difíciles de diferenciar en un rango de tiempo de 3 a 5 ms. Y aun más difícil si existe ruido. Pare mejorar los sistemas de detección de falla mediante onda viajera se han desarrollado diferentes métodos algorítmicos que facilitan y mejoran el trabajo de las protecciones tradicionales. Dentro de estos métodos podemos encontrar la transformada de Wavelet que consiste en bloques lógicos que procesan una señal de onda viajera y la convierten en información para los relés de protección del sistema.


. Frente a una falla de corriente directa se tiene un mayor rango de respuestas satisfactorias, es decir, se tiene mayor certeza de que se produzca un disparo de protección si tomamos valores de las magnitudes de los primeros módulos, a partir de 100, debemos tener en cuenta que la impedancia de línea muy rara vez supera

los 130Ω por consiguiente se tiene un valor que dentro

HVDC puede confiabilidad.

darnos

una

buena

sensibilidad

y

En la grafica 1. Se puede ver el comportamiento de la protección de onda viajera implementada en el siguiente sistema de interconexión eléctrica HVdc.

del margen característico de un sistema de transmisión

Falla línea de CD

Falla en el inversor

Figura 4 Sistema de transmisión HVDC [10]


.

Figura. 5 Disparo por falla de línea aplicando la transformada de Wavelet.[10]

En la figura 5. Se puede ver el comportamiento de la protección de onda viajera implementada en el siguiente sistema de interconexión eléctrica HVdc.

L. Shang, G.Herold, and J. Jaeger, “A new approach to high-

Cuando se presenta falla en la línea de transmisión de corriente directa, se genera un disparo de protección desde el relé que aísla la falla y evita la propagación del evento a través del sistema, siempre y cuando la impedancia de línea no supere el valor d e 130ohm

www.tmt-d.com, catalogo, junio de 2006

6 BIBLIOGRAFIA Andersson, Dag and Henriksson, Anders: “Passive and Active DC Breakers in the Three Gorges-Changzhou HVDC

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Jaime

López

Jiménez,

Trabajo

de

grado

“_APLICACIÓN DE LA TRANSFORMADA de wavelet para la detección, discriminación y localización de fallas en

sistemas HVDC.”

speed protection for transmission line based on transient

signal analysis using wavelets” Lars Weimers “Bulk Power Transmission at extra High Voltages”. ABB, Ludvika, Suecia 2003. Gunnar Benntam, Lennart Carlsson, “HVDC Light. Redes y Tecnología Ecológica”. ABB, Ludvika, Suecia Sture Lindahl, Lars Messing, Bertil Svensson “Protection System Desing for Assurance of Dependability and

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Dag Anders son, Dr, and Anders Henriksson, “Passive and Active DC Breakers in the Tree Gorges-Changzhou HVDC Project, ABB Suecia. Curso de HVDC, Capitulo 5, página 9. Año 2000 ABB Outdoor Instrument Transformers Aplication Guide, edición 2.1, 2005-09, Ludvika, Suecia.

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