SEMINARIO
SEGURIDA SEGUR IDAD, D, RIES RIESGO, GO, CA CAL L IDA IDAD DY PROTECC PROT ECCIONE IONES S ELÉCTR EL ÉCTRICA ICAS S PROTECCIÓN DE LINEAS DE TRANSMISION Jorg Jo rge e Ju Jua an Vásq Vásquez uez Ric ica ard rdo o UNIV UN IVERS ERSID IDA A D NACIO NA CIONA NAL L ME MEDE DEL L L ÍN 5 al al 7 de d e j u n i o de d e 200 2006 6
CONTENIDO •
INTRODUCCIÓN
•
MARCO MA RCO TEÓRICO TEÓRICO
•
SELECCIÓN DEL ESQUEMA DE PROTECCIÓN Y DE LOS L OS CRITE CRITERIO RIOS S DE AJ A J UST USTE E
•
CONCLUSIONES
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MISCELÁNEA
Introducción La protección de líneas de transmisión es una de las disciplinas más importantes en el área de la protección de sistemas de potencia. Exige un conocimiento apropiado del marco teórico asociado que sirva de soporte a los estudios y análisis necesarios para determinar la forma más adecuada de brindar protección a una línea de transmisión, teniendo siempre presente prese nte el sistem sistema a al cual está conec conectada. tada.
Introducción (Cont) Aunque estos aspectos abundan en la literatura, para el desarrollo de la charla se plantearán los temas de la filosofía y los requerimientos de las protecciones, se orientará el estudio hacia el aspecto de fallas a tierra de alta impedancia, analizando los tipos de relés y esquemas de teledisparo adecuados y se propondrán los criterios de ajuste generales.
Introducción (Cont) Se tendrán en cuenta las recomendaciones de la IEEE en su guía para la protección de líneas de transmisión, para finalmente llegar a la selección de un esquema que, definiendo los criterios y su adecuada aplicación, constituya una de las posibles alternativas de solución entre varias. Los pasos específicos para desarrollar este procedimiento son los siguientes:
Introducción (Cont) • Filosofía y requerimientos de un sistema de protecciones. • Dificultades asociadas con la protección de fallas a tierra • Clasificación de la línea. • Análisis general de las protecciones de distancia y de sobrecorriente direccional. • Esquemas de Teledisparos • Esquema y criterios de ajuste seleccionados • Conclusiones
Filosofía y requerimientos de un sistema de protecciones La filosofía de protecciones es un compendio de criterios basados en factores como las características del sistema, los requerimientos exigidos al sistema de protecciones y sus atributos y el tipo de esquemas en los cuales se materializará dicha filosofía. Está sujeta a la experiencia, prácticas desarrolladas y a la forma como es planeado, diseñado y operado el sistema.
Requerimientos: Confiabilidad. Es la propiedad de un sistema de protecciones de operar correctamente y se caracteriza por dos componentes: La fiabilidad, que es el grado de certeza de que el sistema de protección operará correctamente, es decir, su habilidad para operar cuando debe hacerlo. El otro principio es la seguridad, que es el grado de certeza de que el relé no operará incorrectamente, significa que el sistema no debe operar en ausencia de falla.
De estos dos conceptos, se ha considerado de mayor importancia el de la fiabilidad, basándose en el hecho de que en ciertas circunstancias puede ser soportado un disparo inseguro si el sistema tiene la habilidad de seguir transmitiendo su energía por diferentes caminos. Por el contrario, las consecuencias de una falla no aclarada en términos de daños a equipos o efectos en la integridad del sistema, son inaceptables.
Como ilustración de estos conceptos, en condiciones normales de operación, la falla F debe ser despejada por los relés R1 y R2 por intermedio de los interruptores B1 y B2. Si R2 no opera para esta falla, el relé pierde confiabilidad por una pérdida de fiabilidad. Pero si el relé R5 opera haciendo abrir el interruptor B5 para la misma falla antes de que el interruptor B2 la aclare, entonces R5 perdió confiabilidad por una pérdida de seguridad.
Fiabilidad, seguridad y selectividad
Selectividad. Es la habilidad de un sistema de protección de determinar adecuadamente la ubicación de una falla y aislarla, al tiempo que minimiza la porción de sistema que sale de servicio. Cuando ocurre una falla, se debe despejar por los relés adyacentes a la misma, evitando la salida de otras porciones del sistema. La selectividad se define en términos de zona de protección de la cual un determinado relé es responsable y será selectivo si responde solo para fallas dentro de su zona asignada. Un caso no selectivo podría ser también el del relé R5 de la Figura anterior.
Velocidad. Los relés deben eliminar las fallas en el menor tiempo posible. Sin embargo, deben tomarse cierto tiempo en la toma de una decisión con alto grado de certeza. La relación entre la respuesta del relé y el grado de certeza con el que opera es inversa, por lo que los requerimientos de velocidad deben determinarse muy cuidadosamente, teniendo en cuenta que si la protección es muy lenta el sistema puede desestabilizarse y los equipos pueden sufrir daños, pero si la protección es demasiado rápida se pueden ver comprometidas la seguridad y la selectividad.
Sensibilidad. Es la capacidad de detectar todo tipo de fallas. Se refiere a las mínimas cantidades actuantes con las cuales se debe ajustar el relé para que detecte una condición anormal. Hay que tener en cuenta factores afectan la sensibilidad como las fallas de alta impedancia, altos valores de SIR y desbalances del sistema. Simplicidad. La solución a situaciones difíciles debe hacerse tan simple como sea posible, lo cual se aplica también al diseño de los sistemas de protección. La probabilidad y las consecuencias de un error humano en la aplicación u operación de una solución muy compleja, pueden ser, con mucho, peores que los problemas que supuestamente deben resolver. Es necesario ser cuidadosos con los relés multifuncionales en la implementación de ciertas aplicaciones, pues una aplicación incorrecta o incompleta puede tener consecuencias más graves que si no se implementaran.
Redundancia. Esta característica se logra con esquemas de protección duplicados, protección de respaldo local, respaldo remoto. Además de los relés, es necesaria la duplicidad de los sistemas de alimentación de DC, los núcleos de los TCs, las bobinas de disparo. Por consideraciones de costo, el interruptor no se duplica, pero se debe instalar una protección contra falla de interruptor.
Dificultades asociadas con la protección de fallas a tierra Algunas de las dificultades asociadas con la protección contra fallas de alta impedancia a tierra que reducen significativamente su habilidad para detectarlas en forma segura y confiable son las siguientes: • Efecto de un sistema no homogéneo en los elementos de reactancia • Efecto del acoplamiento mutuo de secuencia cero • Influencia del infeed remoto para fallas a tierra de alta impedancia • Estimación incorrecta de la impedancia de secuencia cero de la línea
• Efecto de un sistema no homogéneo en los
elementos de reactancia
Cuando las fuentes del sistema vistas desde un lado y otro de la línea tienen una relación X/R diferente (Desigualdad del ángulo de la impedancia de la fuente y de la línea), dan lugar a un error en la medida de la distancia a las fallas, siempre que haya una resistencia presente en su camino.
•Efecto del acoplamiento mutuo de secuencia cero Cuando se presenta una falla a tierra en líneas de transmisión de doble circuito, la corriente total de secuencia cero se subdivide entre las dos líneas, produciendo un voltaje inducido en un circuito, debido al flujo de corriente de secuencia cero por el circuito adyacente. Mientras las impedancias mutuas entre circuitos para las secuencias positiva y negativa son despreciables (0.05ZL), el acoplamiento mutuo de secuencia cero entre líneas paralelas es considerable (1.25ZL) y puede causar sobrealcance o subalcance en los relés de distancia de tierra.
•Influencia del infeed remoto para fallas a tierra de alta impedancia El efecto de la resistencia en el sitio de la falla reduce el alcance efectivo en el relé. En presencia de infeed remoto, aumenta la dificultad de la medición de la distancia con tendencia a subalcanzar.
La impedancia aparente vista por el relé con una falla resistiva, se ve afectada por la resistencia de falla multiplicada por un factor I2/I1 Si la corriente I2 es muy grande o I1 muy pequeña, el término I2/I1 sería alto, ocasionando subalcance en el relé dado que vería un valor de impedancia mayor
• Estimación incorrecta de la impedancia de secuencia cero de la línea En vista de que la impedancia de secuencia cero (ZL0) de la línea es diferente de su impedancia de secuencia positiva (ZL1), es necesario introducir un factor de compensación residual en los elementos de medida de los relés de distancia. Este factor (k0) de compensación contribuye a la correcta detección de fallas monofásicas a tierra. Para ajustarlo se utiliza la siguiente expresión:
Si se tienen valores típicos de la relación ZL0 / ZL1 de 2.5, el factor de compensación k0 será de 0.5, lo que quiere decir que se añade a la fase fallada un 50% de la corriente residual en el sitio del relé, para obtener una estimación de la señal de corriente por el relé.
Clasificación de la línea Las líneas se deben clasificar según el valor del SIR (Source to Line Impedance Ratio) que es la relación entre la impedancia de la fuente situada detrás de la protección de la línea y la impedancia de la línea (SIR = ZS/ZL), y no solamente según su longitud, como se establece en la Guía de la IEEE, Standard C37.113-1999, así: · Líneas Cortas: tienen un SIR mayor o igual 4.
· Líneas Medias: las que tienen un SIR entre 0.5 y 4. · Líneas Largas: con un SIR menor o igual a 0.5.
Por ejemplo, con un voltaje nominal de 110 kV y una potencia base de 100 MVA, una reactancia inductiva típica de la línea de 0.00395 pu/Km (0.478 Ω/Km) y un nivel de cortocircuito de 3850 MVA en una subestación, se tendría una impedancia de fuente de 0.026 en pu. Así, las líneas de menos de 1.65 Km serían cortas (SIR>4) mientras que las de más de 13.16 Km (SIR<0.5) se considerarían largas.
Un valor de SIR alto implica que los voltajes en el sitio de ubicación del relé serán bajos. La magnitud de las corrientes también puede ser baja si el SIR alto se debe más a una fuente débil que a una impedancia de línea baja. Las corrientes y voltajes bajos afectan la velocidad, alcance y direccionalidad de los relés de distancia. El valor del SIR es el factor que determina la precisión y velocidad con que operan los relés de distancia (zona1). Nótese que mientras más alto sea el SIR, mas lenta es la operación del relé.
Del cálculo del valor del SIR para las líneas se derivan recomendaciones en cuanto a la aplicación de los esquemas de protección y de teledisparos adecuados para cada caso dado que este factor determina la precisión y velocidad con que operan los relés de distancia. - La guía de la IEEE recomienda para la protección de líneas cortas el uso de esquemas de protección completamente selectivos mediante el uso de esquemas de teledisparos, principalmente el POTT y la comparación direccional. Siempre que se utilice la zona 1, se debe proporcionar cubrimiento a la resistencia de arco y a la impedancia de falla, las cuales pueden ser significativas comparadas con la impedancia de la línea.
- Para la protección de líneas de longitud media, se puede utilizar sin problema la protección de distancia, dado que la discriminación del relé es más efectiva en líneas con SIR menor que 4. Para lograr velocidades mayores y mejores cubrimientos a fallas de alta impedancia, se deben usar los esquemas piloto (PUTT, POTT, etc.) - Las líneas largas permiten el uso de variados esquemas para su protección tanto con distintos tipos de relés como de esquemas de teledisparo. Estas líneas requieren disparos de alta velocidad para evitar problemas de estabilidad en el sistema.
Análisis general de las protecciones de distancia y de sobrecorriente direccional Los relés de distancia utilizan la relación entre el voltaje y la corriente para determinar si la falla está en la zona de protección del relé. Las características de estos relés se pueden describir en el diagrama R-X y se ajustan de acuerdo con las impedancias de secuencia cero y positiva de la línea. Para la solución de problemas de fallas a tierra, se usan la cuadrilateral y la Mho Su zona de operación es función sólo de la impedancia medida y su ajuste es fijo, independiente de las magnitudes de las corrientes de falla. En operación normal la impedancia es alta y resistiva. Durante las fallas es baja y reactiva. Este cambio repentino determina la ocurrencia de una falla y si ésta se encuentra dentro de su zona de protección.
Característica Cuadrilateral de Distancia para fallas a Tierra La característica cuadrilateral está conformada por cuatro elementos: el de reactancia en la parte superior, los de resistencia en los lados derecho e izquierdo y el elemento direccional en la línea inferior. Un relé con esta característica operará si la impedancia medida está dentro del rectángulo definido por esos cuatro elementos.
Ventajas: su cubrimiento resistivo es mayor que el del elemento Mho; proporcionan disparos de alta velocidad para fallas resistivas en ausencia de teledisparos. Desventajas: los afectan los errores en las medidas de corriente y voltaje cuando el alcance resistivo es mucho mayor que el reactivo; los afectan los sistemas no homogéneos (diferente ángulo entre impedancias de fuente y línea); los afecta el acoplamiento mutuo de secuencia cero en líneas paralelas.
Característica Mho de Distancia para fallas a Tierra Estas características se desarrollan mediante la comparación del ángulo de fase entre las señales del voltaje de operación y del voltaje de polarización. Cuando la memoria de polarización del elemento Mho es de secuencia positiva, se obtiene una respuesta dinámica que mejora el cubrimiento de fallas resistivas.
Ventajas: Fácil de ajustar; la diferencia de ángulos de fuente y línea los afecta menos que a la característica cuadrilateral. Para condiciones de fuente débil, un elemento Mho puede ofrecer mayor cubrimiento a fallas resistivas cercanas que el elemento cuadrilateral. Desventajas: provee cubrimiento resistivo limitado para fallas al extremo del alcance del elemento; provee cubrimiento resistivo limitado en condiciones de fuente fuerte; es influenciado por el acoplamiento mutuo de secuencia cero.
Relés de sobrecorriente direccionales Los relés de sobrecorriente direccionales de fases o tierra son controlados por una unidad direccional, con lo cual sólo responden a fallas en una dirección. Pueden ser de operación instantánea o temporizada y su función normalmente se prefiere como protección de respaldo con la debida coordinación. Los sobrecorrientes direccionales de tierra o residuales, pueden a su vez ser de secuencia cero o de secuencia negativa, cada uno con sus respectivas ventajas. Este tipo de relés se usa como protección sensitiva contra fallas a tierra de alta impedancia en cooperación con esquemas de teledisparo.
Sobrecorriente de tierra de secuencia cero. La detección sensitiva de una falla a tierra se obtiene con el uso de un relé que solamente responda a la corriente de secuencia cero del sistema, causada por una falla desbalanceada que involucre tierra. Estos relés se pueden ajustar de manera sensible puesto que en condiciones de carga normales se genera una corriente de secuencia cero muy baja. Se puede proveer un cubrimiento muy efectivo de las fallas a tierra. Usados en conjunto con esquemas de teledisparo se obtiene un cubrimiento más rápido y mejor para fallas resistivas a tierra.
Ventajas: provee muy buen cubrimiento a fallas resistivas; fácil de ajustar, entender y visualizar; no los afecta la carga puesto que ésta tiene un impacto pequeño en la magnitud de la corriente de secuencia cero Desventajas: se ven afectados por los cambios de la fuente; los afecta el acoplamiento mutuo de secuencia cero; los afecta el desbalance de carga; impacto negativo de los conductores de fase abiertos.
Sobrecorriente de tierra de secuencia negativa Los relés de sobrecorriente de secuencia negativa han ganado popularidad como método para la detección de fallas a tierra de alta impedancia. La corriente de secuencia negativa puede aparecer siempre que se presenten desbalances en el sistema. Las fuentes principales de desbalance son las fallas asimétricas, líneas no transpuestas, y cargas desbalanceadas. Como en el caso de los sobrecorrientes de secuencia cero, los desbalances del sistema afectan significativamente la sensibilidad de los ajustes de un elemento de sobrecorriente de secuencia negativa.
Ventajas: proveen muy buen cubrimiento a fallas resistivas; proveen un mayor cubrimiento para fallas resistivas en el extremo opuesto de la línea, que los elementos de corriente de secuencia cero; son insensibles al acoplamiento mutuo de secuencia cero en líneas paralelas; no los afecta el tamaño de la carga pues tiene poco impacto en la magnitud de corriente de secuencia negativa; mejores que los elementos de secuencia cero cuando la fuente es fuerte, pues el voltaje de secuencia negativa es mayor que el de secuencia cero. Desventajas: los afectan los cambios en el tamaño de la fuente; los afectan los desbalances de carga; se ven afectados por los conductores de fase abiertos
Notas comparativas Distancia VS Sobrecorriente La mayor ventaja de los relés de distancia es que la zona de operación es una función de la impedancia de la línea protegida, la cual es una constante, y es relativamente independiente de las magnitudes de corriente y voltaje. Los relés de distancia tienen alcance fijo, al contrario de los relés de sobrecorriente para los cuales la zona de protección varía con respecto a los cambios en la impedancia de la fuente.
Una dificultad con los relés de distancia de característica Mho para fallas a tierra es su inhabilidad para detectar fallas de alta resistencia. El voltaje medido por el relé es la suma de la caída de voltaje de la línea hasta el punto de falla más la caída de voltaje en la resistencia de falla. Esta última puede variar debido al efecto infeed desde el otro extremo de la línea, el cual actúa como un amplificador de la resistencia de falla lo que no ocurre en una línea radial.
Mho VS Cuadrilateral La característica Mho es popular por tener un alcance bien definido, es inherentemente direccional y puede tolerar resistencias de falla bastante bien sin errores serios de sobrealcance debidos a la carga o a diferencias entre los ángulos de las impedancias de la fuente y de la línea. Bajo condiciones de fuente fuerte, la característica cuadrilateral puede proporcionar un mayor cubrimiento de resistencia de falla que la característica dinámica del elemento Mho, pero tiene menor seguridad para fallas externas cuando los ángulos de la impedancia de la fuente y de la línea son diferentes (sistema no homogéneo)
Com ompo port rta ami mie ent nto o de d e lo loss eleme element ntos os de Sob obre reco corr rriente iente Dir Dire ecc ccio iona nall y Dis ista tanc ncia ia frente a falla fall as de d e altlta a i mp mpe edanci dancia a Haciendo la comparación entre el cubrimiento de la falla resistiva usando únicamente la función de distancia de tierra o la de sobrecorriente de tierra y considerando el uso de un esquema de teledisparo, se puede observar el mayor cubrimiento del 67 sobre el 21 puesto que a medida que la falla se aleja de la barra, la magnitud de resistencia de falla detectada por los los elementos elementos de distancia distancia y sobrecorriente sobrecorriente va disminuyendo. Esta disminución se debe al efecto infeed desde el terminal opuesto. Dicho infeed actúa como un amplificador.
A medida que la falla se acerca al terminal remoto, la la cantidad de corriente aportada desde el terminal más cercano a la falla contribuye con una porción mayor del total de la corriente de falla. El terminal más alejado de la falla contribuye con una porción muy pequeña del total.
Los elementos de distancia también proveen un cubrimiento aceptable para fallas de alta impedancia. Sin embargo los elementos Mho brindan un cubrimiento muy pequeño además de que son afectados adversamente por el acoplamiento mutuo de secuencia cero. Los elementos de distancia cuadrilateral ofrecen un mejor cubrimiento que el Mho, pero también los afecta el acoplamiento muto de secuencia cero.
La manera más adecuada para proteger las líneas en presencia de fallas a tierra de alta impedancia, son los esquemas de sobrecorriente direccional de secuencia cero y negativa, en especial este último. Es indispensable involucrar los esquemas de teledisparo para dar ese cubrimiento completo a la línea de manera segura y selectiva, con alta fiabilidad y sensibilidad.
Esquemas de Teledisparos – PUTT (Permissive Underreaching Transfer Trip): Disparo transferido en subalcance permisivo. – POTT (Permissive Overreaching Transfer Trip): Disparo transferido en sobre alcance permisivo – CD: Disparo permisivo transferido por Comparación Direccional – Aceleración de Zona – DUTT (Direct Underreaching Transfer Trip): Disparo Directo Transferido en subalcance.
PUTT (Esquema de teledisparo en subalcance permisivo). El PUTT requiere de una función de subalcance (zona 1) que dispara el interruptor local y envía una señal al extremo remoto, y de una función de sobrealcance (zona 2). El interruptor del extremo remoto abrirá cuando reciba la señal si su elemento de zona 2 está detectando una falla. El PUTT no enviará señal para fallas por fuera de la sección de la línea. Este esquema no requiere de lógica para inversiones de corriente en líneas paralelas. El esquema de teleprotección en subalcance permisivo, PUTT, es reconocido como seguro, dado que no ocasiona falsos disparos.
POTT (Esquema de teledisparo en sobrealcance permisivo). El POTT usa un elemento de zona 2 en sobrealcance (también se puede usar la zona 1 a más del 100% de la línea) para enviar una señal al extremo remoto. El interruptor abre cuando recibe la señal si su elemento de zona 2 (o el de zona 1 en sobrealcance) está detectando una falla. Con fallas externas solamente operará una de las unidades de sobrealcance, por lo que no se efectuará disparo en ninguno de los terminales. El esquema es seguro ya que no dispara para falla externa, pero es menos fiable por los posibles problemas en el canal de comunicaciones, caso en el que no habría disparo ante fallas internas. Este esquema necesita lógica de inversión de corriente en líneas paralelas.
Esquema de Disparo Permisivo Transferido por Comparación Direccional. En este esquema sólo se compara la dirección de la corriente, es decir, si hay una falla dentro de la línea, los dos relés asociados verán la falla hacia delante y cada uno envía una señal permisiva al otro extremo produciéndose el disparo. Normalmente, este esquema se implementa con relés de sobrecorriente de tierra direccionales, muy sensibles para la detección de fallas de alta impedancia. También necesita una función de inversión de flujo en líneas paralelas.
Criterios de ajuste generalmente recomendados para la protección de distancia Se emplean varias zonas para proteger la línea de transmisión. En la figura se presentan los alcances de las zonas de una protección distancia con tres zonas adelante, con características Mho y cuadrilateral
Para el ajuste de las zonas en los relés de distancia se debe tener en cuenta no sólo la impedancia de la línea a proteger sino también las de las líneas adyacentes, dado que el ajuste de algunas de las zonas del relé de distancia cubre una parte o la totalidad de la línea adyacente
Ajuste de la Zona 1 La primera zona de la protección distancia es de operación instantánea y su función es el despeje rápido de fallas a lo largo de la línea. Se ajusta entre el 80 y 90% de la impedancia de la línea, para evitar operaciones no selectivas por las imperfecciones en el cálculo de los parámetros, errores de los transformadores de medida y a condiciones dinámicas del sistema que podrían ocasionar sobrealcance. Para calcular su ajuste, se usa la expresión: donde: Z1 = Ajuste de Zona 1, K = Constante, ZL = Impedancia de secuencia positiva de la línea. Como criterio se adopta un factor K del 85% de la impedancia de la línea.
Ajuste de la Zona 2 Esta zona es protege el resto de la línea y brinda respaldo a la barra de la subestación remota y a las líneas que salen de ella. Como valor mínimo de ajuste se escoge el 120% de la impedancia de la línea propia ó el 100% más el 50% de la línea adyacente más corta. Estos ajustes pueden modificarse con el análisis del efecto infeed. No debe sobrealcanzar la Zona 1 de los relés de las líneas adyacentes ni operar para fallas en los niveles secundarios de los transformadores de la subestación remota ajustándola como máximo en la suma de la impedancia total de la línea a proteger más el 80% de la impedancia equivalente de dichos transformadores
Análisis del efecto infeed en Zona 2. Se presenta debido a la existencia de fuentes intermedias que alimentan la falla por lo que es necesario introducir un ajuste a la impedancia que ve el relé, denominada Impedancia aparente.
I2 incluye el aporte de los demás circuitos, diferentes de la línea bajo coordinación, que aportan al cortocircuito. El ajuste de la zona 2 puede hacerse incluyendo el efecto infeed, considerando la posibilidad de que las fuentes intermedias desaparezcan, por lo que el relé quedaría sobrealcanzando. Para la selección del tiempo de disparo de la Zona 2 se debe tener en cuenta la existencia o no de un esquema de teleprotección en la línea. Si lo tiene, se selecciona un tiempo de 400 ms; si no, este tiempo se determina mediante un análisis de estabilidad del sistema ante contingencias en el circuito. Este tiempo (tiempo crítico de despeje de fallas ubicadas en Zona 2) puede oscilar entre 150 ms y 250 ms, dependiendo de la longitud de la línea y de las condiciones de estabilidad del sistema.
Ajuste de la Zona 3 El criterio de ajuste es la impedancia de la línea a proteger más un 80% del valor de Z de la línea adyacente más larga, teniendo en cuenta que no sobrepase el 80% de la impedancia equivalente de los transformadores en la barra remota. También debe limitarse si su valor se acerca al punto de carga de la línea. Tiempo de Zona 3: 800 ms Alcance resistivo El criterio general es seleccionar un único valor para las diferentes zonas, permitiendo establecer la coordinación a través de los tiempos de disparo de cada zona. Los valores típicos resistivos son calculados como el 45% de la impedancia mínima de carga o de máxima transferencia del circuito en cuestión. Donde: VL: Tensión nominal mínima línea - línea. MCC: Máxima Corriente de Carga
Criterios de ajuste recomendados para las funciones de sobrecorriente direccional Estos elementos pueden contar o no con esquema de teleprotección. Cuando funcionan como protección de respaldo deberán operar temporizadas para permitir a la protección principal la decisión sobre la aclaración de la falla. Deben proporcionar un alto grado de selectividad para la mayoría de los casos en que falle la protección principal de la línea. Su tiempo mínimo de operación será de 400 ms para garantizar que aclare las fallas con tiempo de respaldo, permitiendo que la protección principal aclare normalmente las fallas en la línea.
Protecciones de sobrecorriente de fases Debe detectar la menor corriente de falla y a la vez permitir la operación normal y en contingencia. No debe actuar como protección de sobrecarga puesto que esta labor corresponde a una supervisión de la operación del sistema. El criterio para el valor de arranque debe considerar la mayor corriente de carga ante contingencia y la soportabilidad térmica de la línea o del transformador de corriente. Se selecciona una curva normalmente inversa (NI) cuyo valor de temporización corresponda a 0,4 s para un aporte a una falla monofásica o trifásica cercana (la mayor de las dos) que permita la actuación de las protecciones principales.
Protección de sobrecorriente de tierra Los elementos de tierra se ajustan con una corriente residual primaria lo mas baja posible, con base en el máximo desbalance residual observado en operación (máxima transferencia), teniendo presente que fallas en el sistema de baja tensión pueden elevar momentáneamente este desbalance. Se selecciona un valor de ajuste del 30% (200 A) con lo que se logra un margen adecuado para prevenir disparos indeseados por desbalances y garantizando una cobertura amplia para fallas de alta impedancia. Para la coordinación, se escoge una curva normalmente inversa (NI) con tiempo de operación de 0,4 s con el aporte de corriente de falla monofásica cercana, que permita la actuación de la protección principal.
Selección del esquema de protección
El esquema seleccionado se fundamenta en una filosofía basada en la fiabilidad, con niveles adecuados de seguridad, apoyados en esquemas de teledisparo y con base en una configuración de respaldo local y respaldo remoto. Es un esquema simple que ofrece altos niveles de redundancia, sensibilidad, selectividad y velocidad.
El esquema seleccionado esta constituido de la siguiente manera: Protección Principal 1 – Relé de distancia con característica Mho para fallas entre fases y con característica cuadrilateral para fallas a tierra. – Tres zonas de protección hacia delante y una zona reversa – Temporización: sólo las Zonas 2, 3 y reversa – El esquema de teledisparo es el PUTT (Disparo transferido en subalcance permisivo). En el caso de una línea muy corta, sería el POTT. – Función principal: manejo de las fallas entre fases, contribuyendo también al manejo de las fallas a tierra.
A la PP1 se le ajusta la Zona 1 al 85% de la impedancia de la línea, la cual, al estar bajo un esquema PUTT, operará autónomamente y enviará su señal permisiva al otro extremo. La Zona 2 se ajusta para un valor del 100% de la propia línea más un 50% de la línea adyacente más corta, y considerando los efectos del infeed. Esta Zona es la encargada de validar el disparo local ante la recepción de la señal del extremo remoto originada por su respectiva Zona 1. También actuará como respaldo remoto. La Zona 3 se ajusta al 80% de la línea adyacente más larga, considerando el efecto infeed, lo mismo que las impedancias de las cargas conectadas en la barra remota. Actúa exclusivamente como respaldo remoto.
Protección Principal 2 – Relé de sobrecorriente direccional de tierra con elemento de secuencia negativa. – Esquema de teleprotección permisivo en comparación direccional. – Función principal: manejo de las fallas monofásicas, en especial las de alta impedancia, por su ajuste de gran sensibilidad – Sin temporización.
A la PP2 se le ajusta el elemento instantáneo de sobrecorriente direccional de tierra en un valor correspondiente al 30% de la corriente nominal. Cuando el relé llega a este umbral, emite una señal permisiva al extremo remoto e igualmente queda a la espera de la correspondiente señal permisiva desde el otro extremo para emitir el disparo. Para actuar como respaldos, a los elementos de fases y tierra del relé se les habilitan las curvas de temporización, coordinándolas para que con fallas cercanas y lejanas pero dentro de la misma línea, proporcionen el respaldo a las funciones principales de las dos protecciones PP1 y PP2.
Protecciones de respaldo – Se establecen como respaldo las funciones inherentes a las dos protecciones principales (zonas del relé de distancia y funciones de sobrecorriente del 67N). – Protección de falla del interruptor (50BF), con su respectivo disparo directo transferido.
Otras funciones de la protección • • • • • • • • •
Oscilación de potencia Cierre en falla Discrepancia de polos Pérdida de potencial Discriminación de carga Eco y fuente débil Bajo y sobre voltaje Recierre y verificador de sincronismo Falla interruptor
El esquema seleccionado garantiza los criterios de: Fiabilidad, pues los disparos no están condicionados por ningún otro elemento actuando como protección principal, además de la existencia de respaldos locales y remotos Seguridad, la cual es proporcionada por la correcta coordinación (ajustes en subalcance y zonas temporizadas) y por los esquemas de teledisparo Redundancia, pues se tienen duplicadas las protecciones, es decir, se tienen dos sistemas de protección principal en paralelo, con independencia de sus principios de operación para evitar los modos de falla comunes
Selectividad está garantizada por la definición adecuada de la zona de protección y por la adecuada coordinación tanto de los alcances, como de los tiempos. Los esquemas de teledisparo juegan un importante papel en la selectividad, porque garantizan que los disparos se suscriban a la zona fallada Sensibilidad que es manejada esencialmente por la protección de sobrecorriente direccional de tierra, que tiene a su cargo la detección de las fallas a tierra de alta impedancia. Se implementó un esquema completamente selectivo, permisivo en comparación direccional, es decir, el relé puede ser ajustado a su máxima sensibilidad sin peligro de producir disparos inseguros puesto que el esquema de teledisparo no lo permite.
Velocidad porque se hace diferencia entre las protecciones principales y los respaldos mediante una coordinación, que permite minimizar tiempos a niveles tolerables por el sistema y los equipos. Se garantizan disparos instantáneos confiables dentro de la zona protegida en asocio con los esquemas de teledisparo, lo mismo que disparos retardados selectivos de los relés de respaldo Simplicidad porque mientras más complejo sea un sistema, más probabilidades de error se pueden presentar. El esquema de teledisparo PUTT es uno de los más simples pues no exige la implementación de la lógica de inversión de flujo. En cambio el de comparación direccional si lo exige, por lo que se debe tener sumo cuidado en la implementación de esta aplicación.
Ejemplo Se seleccionó para el caso de estudio la línea Oriente Rionegro, que es la línea más corta del sistema, tanto física como eléctricamente:
Ajuste del relé de distancia, extremo de Rionegro. Para la línea corta se utiliza el esquema POTT, surgen dos alternativas: una, más fiable, con los ajustes normales, usando la zona 2 como permisiva. La otra, más segura, usando la zona 1 permisiva en sobrealcance. De acuerdo con los criterios establecidos, se tiene para la primera alternativa: Alcance de Zona 1 = 0.85*ZL = 0.85*0.999 = 0.8491 Ohmios primarios Alcance de Zona 2 = ZL+0.5*Z(Or-Cord) = 0.999+0.5(3.7612) = 2.8796 Ohmios Primarios. Alcance de Zona 3 = ZL + 0.8*Z(Orie-RPd) = 0.999 + 0.8(16.65) = 14.31 Ohmios Primarios.
El alcance de Zona 2 debe cubrir toda la línea más el 50% de la línea adyacente más corta que es Oriente Córdoba, considerando el efecto “infeed” para lo cual se corrió el correspondiente caso (falla en el 50% de esa línea). Allí se ve que el factor infeed (FI) es sumamente elevado: FI = 7537/ 974 = 7.74 Por lo tanto: Alcance de Zona 2 = ZL + 0.5Z(Or-Cord)*(1+FI) = 0.999+0.5(3.7612)(8.74) = 17.4354 Ohmios primarios
Por simple inspección vemos que este alcance, ante una disminución sustancial de la corriente causante del infeed, sobrepasa el 100% de la impedancia de cualquiera de las líneas que salen de Oriente, por lo que es necesario limitar su valor evitando que sobrealcance el valor de ajuste de la Zona 1 de la línea Oriente Córdoba por ser la más corta. Este sobrealcance sería adecuado si el esquema fuera solamente POTT sin utilizar la zona 2 como respaldo. Por lo tanto, de acuerdo con los criterios establecidos (mayor fiabilidad posible), se debe reajustar la Zona 2 sin considerar el efecto infeed
Para el esquema alternativo, se usa el elemento de Zona 1 para los envíos permisivos, con el alcance correspondiente al calculado para la zona 2, afectada por el efecto infeed. Con esto se logra un cubrimiento muy grande y una buena velocidad, pero se pierde fiabilidad en caso de daño del canal de comunicación. Los demás ajustes (zona 2 y 3) quedan iguales, proporcionando respaldo remoto.
Ajuste del relé de distancia, extremo de Oriente. Se tiene que utilizar el mismo esquema POTT, en cualquiera de las dos alternativas: Alcance de Zona 1 = 0.85*ZL = 0.85*0.999 = 0.8491 Ohmios primarios Alcance de Zona 2 = ZL+0.5*Z(Rion-Cord) = 0.999+0.5(2.76) = 2.379 Ohmios Primarios. Como la línea adyacente mas larga es la misma, entonces: Alcance de Zona 3 = ZL + 0.8*Z(Rion-Cord) = 0.999 + 0.8(2.76) = 3.207 Ohmios Primarios. No existe el efecto infeed.
Sobrecorrientes de fase y tierra, extremo de Rionegro. El proceso para ambos tipos de relés es básicamente el mismo. Para los relés de fase, se deben correr cortocircuitos trifásicos y para los de tierra, cortocircuitos monofásicos, tanto para fallas cerca de la barra, como para el extremo remoto de la línea.
F1 = Falla cercana F2 = Falla lejana En paréntesis, la I de falla a tierra
Para fallas entre fases, se tiene: I nominal línea (In) = 630 A primarios I máx. de corta duración (Imcd) = 820 A primarios I ajuste (1.3*Imcd) = 1050 A primarios CT = 600/5 I ajuste sec (Is) = 8.75 A sec. Curva de tiempo normalmente inversa, “dial” = 0.07, con lo que para falla cercana, t = 400 ms (para 3.85 Is) Para fallas a tierra: I nominal de ajuste (In) = 200 A primarios I ajuste secundario (Is) = 1.66 A sec. “dial” curva NI = 0.18 , con lo que para falla cercana, t = 400 ms (para 17 Is)
Para el extremo de Oriente, el procedimiento es igual, lo mismo que los valores en corrientes primarias y secundarias. Varía el “dial” de la curva para conservar el criterio de tiempos, puesto que las corrientes de cortocircuito cambian:
Para falla entre fases, “dial” = 0.15, y 400 ms (para 12.3 Is) Fallas a tierra, “dial” = 0.25, y 400 ms (para 71 Is)
En un sistema de protecciones se manejan dos aspectos: La filosofía de protecciones, y los equipos de protección De estas dos consideraciones (filosofía y equipos), la primera se ha mantenido relativamente invariable con el paso del tiempo, a excepción de los cambios inducidos por nuevas tecnologías de equipos de patio y otros. En cambio en el aspecto de la tecnología de los equipos de protección, el avance ha sido acelerado, pasando de los tradicionales (ya obsoletos) relés electromecánicos, a los electrónicos y a los de tecnología digital y numérica, introduciendo un sinnúmero de ventajas adicionales.
Integración de Protección y Control Actualmente, la oferta de los fabricantes se orienta hacia la integración del control y la protección, manteniendo la indispensable autonomía de ésta en forma absoluta, pues las funciones de protección no pueden estar condicionadas. Funciones principales: • Protección • Control • Medida • Automatización • Supervisión Ventajas más importantes: • Permite la comunicación digital directa entre relés y con otras subestaciones • Las funciones de medición del relé reemplazan transductores de medida que son menos confiables. • El procesador lógico de la protección reemplaza los PLCs
Esquema integrado de protección y control
Es un sistema de gestión integral de información de subestaciones para la recolección, almacenamiento y tratamiento unificado de ajustes, eventos, registros e informes de fallas. Principales características: • Acceso remoto a los relés •Análisis de eventos • Información histórica
• Conexión transparente con los relés • Base de datos • Visualización de equipos • Gestión de ajustes de protección • Generación de informes de falla
Medición de Fasores Sincronizados • En años recientes ha emergido una nueva tecnología que puede alcanzar muestras sincronizadas en forma precisa a través de largas distancias. • Es básicamente el sincronismo de los relojes de muestreo de los sistemas digitales de muestreo de datos (relés, medidores, registradores, controladores, etc.), llamados PMUs (Phasor Measurement Unit) • El método usado para esa sincronización es la utilización del sistema de satélites de posicionamiento global (GPS)
Aplicación de la Medición de Fasores Sincronizados
Registro continuo de magnitudes del sistema para aplicaciones de SCADA Mejoramiento de la Estimación de Estado Observación de la dinámica del S de P y validación de modelos Registro sincronizado de eventos Medida de ángulo de fase para aplicaciones de amortiguamiento Mitigación de la pérdida de sincronismo Funciones de Protección de Área Extensa
Protección Contra Arco Eléctrico Cuando se presenta una falla con arco eléctrico, se produce un aumento instantáneo en la intensidad de luz (varios miles de veces) proveniente de dicha falla. Esta circunstancia es aprovechada por los relés de protección contra arco eléctrico para, mediante sensores ópticos, detectar este tipo de fallas y en combinación (por seguridad) con relés de protección instantáneos, producir disparos en pocos milisegundos. Esta protección puede reemplazar o complementar las protecciones de barras en media y baja tensión y tiene la ventaja adicional de que no es necesario coordinarla con otros relés.
Definición de Falla de ARCO • Es un cortocircuito entre una parte viva y tierra o entre partes vivas donde la corriente circula a través del aire o plasma • La resistencia del cortocircuito de ARCO puede variar. Puede haber alta resistencia con niveles de falla bajos. •El cortocircuito de ARCO produce una alta radiación tanto de luz invisible como visible (300 … 1500 nm) • Crecimiento rápido de presión y temperatura. Alcanzan temperaturas extremas (> 10000 °C) causando incendio del metal y creaicón gases tóxicos • Alta presión. El cobre se expande 67,000 veces de sólido a vapor. Presión aumenta hasta 4 bar. • Daño a equipos circundantes • Causa de heridas por proyección de objetos
El ARCO crece en tiempo de milisegundos. La Resistencia durante la descarga del ARCO puede variar. La Energía es proporcional a ~ I² x t.
I²t, kA² s
Incendio del cobre
Incendio del acero
Incendio de Tiempo total de corte cables con protección de ARCO 7 + (50 .. 80)ms
0
100
200
400
ms
El daño causado por el ARCO depende de la corriente y la duración del Arco
I²t, kA² s
Daño exesivo al equipo y heridas al personal Personal y equipos sufren heridas y daños
Poco o ningún daño para el equipo o heridas para el personal
0
100
200
500
ms
Mitigación de los efectos de la falla de arco • Reducir la corriente del arco
• Incrementar las distancias de trabajo • Uso adecuado de PPE • Reducción del tiempo de aclaración de la falla • Protección diferencial de barras • Protección contra arco eléctrico
RETIE – Límites de aproximación segura
Relé de protección contra arco eléctrico Características: • Se basa en la detección óptica de la luminosidad del arco • La detección puede hacerse con sensores ópticos individuales o utilizando una fibra óptica continua • Puede ser supervisado por corriente (detectores de falla) • No necesita ser coordinado con ninguna protección existente • Proporciona operación cuasi instantánea para cualquier magnitud de corriente de falla • Reduce ostensiblemente los niveles de energía incidente
Relé de protección contra arco eléctrico • La fibra óptica en toda su longitud funciona como un sensor • Protege fácilmente estructuras complejas • Longitud máxima de la fibra sensora = 60 m • Pulsos de prueba regulares verifican la continuidad de la fibra
Relé de protección contra arco eléctrico • Aplicación de loop simple de fibra supervisado por corriente • El relé de protección contra arco dispara los interruptores del transformador usando salidas de alta velocidad
Conclusiones Se realizó realizó un acercami acercamiento ento a los aspecto aspectoss teóricos teóricos relacionados con el tema de protecciones en la medida en que es necesario tener un cabal entendimiento de los fundamentos, filosofías, criterios y experiencias asociados a este campo para una correcta aplicación de los esquemas que se derivan de allí, a los diferentes casos que se presentan. Es importante alcanzar un conocimiento adecuado de la problemática asociada con las líneas según su clasificación de acuerdo con sus parámetros, para lo que la guía de la IEEE (IEEE Guide for Protective Relay Applications to Transmissio Transm ission n Lines Lines,, IEEE Standa Standard rd C37.113-1 C37.113-1999) 999) es es de gran ayuda.
Igualmente, se deben conocer bien los diferentes tipos de relés que forman parte de los esquemas de protección, así como los sistemas de teledisparo. Se propusieron los criterios de ajuste generales para una correcta coordinación de protecciones, de acuerdo con la selección de los esquemas más adecuados y que respondan a la filosofía y requerimientos previamente adoptados según los tipos de falla, la clase de línea y su importancia. Finalmente se hizo un pequeño recuento de algunos avances en el campo de las protecciones.
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