Sistemas_Proteccion.pdf

A n ál An álii s i s d e Sis Si s t em ema as d e Protección empleando DIgS gSIILE LEN NT Pow owe erFa rFact ctor ory y

Francisco M. Gonzalez-Longatt, PhD Jairo H. Quiros Tortos. Ph.D. Researcher Manchester, UK, Enero, 2011

. r o h t u a e h t f o n o i s s i m r e p t u o h t i w m r o f y n a n i d e t u b i r t s i d r o d e c u d o r p e r

e b y a m n e o v i . t a g r c o i l . t b t u a p g s n i o h t l g f f o . w t r w a w p : p o t t N . h . d 9 e 0 v r 0 e 2 s © e r t s h t g h i r g y

A n ál An álii s i s d e Sis Si s t em emas as d e Pro Pr o t ec ecc ción empleando DIgS gSIILE LEN NT Pow owe erFa rFact ctor ory y Mostrar los aspectos teoricos del analisis de sistemas de proteccion empleando la herramienta DigSILENT PowerFactory Francisco M. Gonzalez-Longatt, PhD, Jairo H. Quiros Quiros Tortos. Tortos. Ph.D. Researcher Researcher [email protected] [email protected]



A n ál An álii s i s d e Sis Si s t em emas as d e Pro Pr o t ec ecc ción empleando DIgS gSIILE LEN NT Pow owe erFa rFact ctor ory y Mostrar los aspectos teoricos del analisis de sistemas de proteccion empleando la herramienta DigSILENT PowerFactory Francisco M. Gonzalez-Longatt, PhD, Jairo H. Quiros Quiros Tortos. Tortos. Ph.D. Researcher Researcher [email protected] [email protected]



1. Int ntro rodu ducc cció ión n a lo los s Siste Sist emas de Protección



Obj bje eti tivo vos s de lo los s Sis Sistema temas s de Pro Protecci tección ón

• Prevenir lesiones a las personas. • Minimizar el daño en los componentes del sistema. • Limitar la duración y inte in terr rrup upci cion ones es de dell se serv rvic icio io..

minimizar

las



As A s p ec ectt o s d e Sis Si s t em emas as d e Pro Pr o t ec ecc ción • Confiabilidad – Propiedad Propiedad de garantizar un funcionamiento correcto de la protección. Incluye operar cuando se requiere (dependebilidad) y no operar incorrectamente (seguridad).

• Selectividad – Eliminar Eliminar la falla o anomalía mediante la desconexión del menor número de elementos.

• Velocida locidad d de Opera peración ción – Desconexión de la falla en el menor menor tiempo posible. • Simplicidad – Mínimo de dispositivo de protección protección y circuitería asociados para lograr los objetivos de protección.

•

Sensibilidad

– Detección de fallas o condiciones anormales que provoquen variaciones pequeñas en el sistema.



Anormalidades en SP

• Las anormalidades en sistemas de potencia son miles, pero pueden ser agrupadas en: – Cortocircuitos – Sobrecargas – Contactos a tierra – Interrupción de conductores – Déficit de potencia activa – Poleslip (Perdida de estabilidad)


e b y a m n e o i . t v g a r c o i l . b t u t p a g s n i o h t l g f f o . w t r w a w p : p o t t N . h . d 9 e 0 v r 0 e 2 s © e r t s h t g h i r g y

Criterio de deteccion de falla Criterio de Detección de falla: • Sobrecorriente (cortocircuito, sobrecarga)

• Corriente diferencial (cortocircuito). • Sobre voltaje/Bajo voltaje (cortocircuito, estabilidad de voltaje) • Dirección de potencia (cortocircuito, contacto a tierra) • Desbalance (interrupción de conductor, desbalance de carga). • Impedancia (cortocircuito, perdida de estabilidad). • Frecuencia (déficit de potencia activa) • Temperatura (sobrecarga)



2. Transformadores de Corriente (TC) y Transformador de Potencial (TP)



Clasificación de los TC Clases de predicción por IEC: ejemplo: 15VA Clase 10 P 20 

15VA : Burden in VA



10

: Clase de precisión



P

: Aplicación: P para “Protección”



20 : Accuracy Limit Factor (factor limite de precisión) (hasta 10% de error a 20 veces la corriente nominal o burden)



Clasificación de los transformadores • Definición según ANSI/IEEE: • Ejemplo: T100 o C 100  ‘T‘ indica que el desempeno del TC ha sido probado: Fabricantes pueden proveer pruebas y datos medidos. 

‘C‘ indica que el desempeno ha sido calculado.



Numero que define el maximo voltaje en el secundario a el cual el error es menor a 10%, para corrientes entre 1Number defines the maximum secondary voltage at which the error is less than 10%, for currents between 120 veces la corriente secundaria.



Saturación del Transformador de Corriente 





Los transformadores de corriente (TC) se pueden saturar si: 

Voltaje AC secundario es mas alto que el voltaje del codo (kneepoint).



Corriente primaria contiene componentes DC.

La corriente secundaria de un TC saturado es distorcionada y mas pequena de la corriente no saturada. TC especiales con caracteristicas dinamicas mejorasas son clasificados segun la norma IEC como TPX,TPY o TPZ



CT Saturacion T N E L I S g I D

1200.0

800.00

400.00

0.000

-400.00

-800.00

-1200.0 -0.1000

0.000

0.100

.

0.200

0.000

0.100

.

0.200

0.000

0.100

.

0.200

Stromwandler: Mag.-Fluss L1 in V

1200.0

800.00

400.00

0.000

-400.00

-800.00

-1200.0 -0.1000 Stromwandler: Mag.-Fluss L2 in V

1200.0

800.00

400.00

0.000

-400.00

-800.00

-1200.0 -0.1000 Stromwandler: Mag.-Fluss L3 in V



3. Proteccion contra Sobrecorrientes



Característica de tiempo definido T N E L I S g I D

10

I>

• Tiempo total de limpieza de falla (Tcf ): Tfc = Trelay + Tbrk Trelay: tiempo de disparo del rele

[s]

1

I>>

Tbrk : Tiempo de disparo del interruptor

k r b T + y a l e r T = t c f T

0.1

• Tiempo de disparo del rele (Trelay): Trelay = Ts + Tset Ts: tiempo de arranque Tset: tiempo ajustado

Tfct=Trelay+Tbrk

• Ajuste de corriente 0.01

1000

I>/I>>

10000

[pri.A]

100000

I > und I >> Ajuste de corriente de arranque



Característica de tiempo inverso T N E L I S g I D

10

Imin Ipset [s]

1

• Tiempo total de limpieza de falla (Tcf ): Tfc = Trelay + Tbrk Trelay: tiempo de disparo del rele Tbrk : Tiempo de disparo del interruptor

• Tiempo de disparo del rele (Trelay): Trelay = Ts + Tset

Tpset 0.1

Ts: tiempo de arranque Tset: tiempo ajustado

Tfct=Trelay+Tbrk

• Ajuste de corriente 0.01

Ipset: rango de corriente ajustada 1000

AMZ

10000

[pri.A]

100000

Imin: Corriente de arranque



Características - IEC • Normalmente Inverso:

• Muy Inverso:

• Extremadamente Inverso:

• Inverso Largo:

0.14

t = T pset ⋅

( I / I pset ) 0.02 − 1

t = T pset ⋅

t = T pset ⋅

t = T pset ⋅

13.5 ( I / I pset ) − 1 80 ( I / I pset ) − 1 2

120 ( I / I pset ) − 1



Características - ANSI / IEEE • Normalmente inversa • Inverso corto • Largamente inversa • Moderadamente inversa • Muy inversa • Extremadamente inversa • Inversa definidad • Corriente cuadrada

  8.9341  0.17966 +  ( I / I ) 2,0938 − 1  pset     0.2663  + t = T pset ⋅  0 . 03393  ( I / I pset )1.2969 − 1     5.64143  + 2.18592  t = T pset ⋅   ( I / I pset ) − 1     0.0103   + t = T pset ⋅  0 . 0228  ( I / I pset )0.02 − 1     3.922   + t = T pset ⋅  0 . 0982  ( I / I pset ) 2 − 1     5.64   + t = T pset ⋅  0 . 0243  ( I / I pset ) 2 − 1      0.4797  + t = T pset ⋅  0 . 21359  ( I / I pset )1.5625 − 1    50.7 ⋅ T pset + 10.14 t= 2 t = T pset ⋅ 

( I / I pset )



Coordinacion por Tiempo . r o h t u a e h t f o n o i s s i m r e p t u o h t i w m r o f y n a n i d e t u b i r t s i d r o d e c u d o r p e r

t t=1.2 s t= 0.8 s t= 0.4 s Infeed

A-B

A

B-C

B

C-D

C

D


Coordinación Tiempo/Corriente . r o h t u a e h t f o n o i s s i m r e p t u o h t i w m r o f y n a n i d e t u b i r t s i d r o d e c u d o r p e r

t

Infeed

A-B

A

lmax(0.8*L AB )

B-C

B

C-D

C

lmax(0.8*L BC )

D

lmax(0.8*L CD)


Fusibles

Máximo tiempo de liberación de falla Max. Melt Curve

Mínimo tiempo de liberación de falla Min. Melt Curve

Average Melt Curve Fuse 1

Fuse 2



Interruptores de Bajo Voltaje T N E L I S g I D

Ir 1000

tr

Tiempo largo de retardo por proteccion de sobrecarga

• Tiempo largo con retardo por protección de sobrecarga

[s]

Im

Tiempo corto con retardo por cortocircuito

• Tiempo corto con retardo

10

tm

por cortocircuito – con o sin característica I²t

I²t on/off

0.1

Protección instantánea contra cortocircuito

I

• Protección instantánea contra cortocircuito

0.001

1000

LV-Breaker

10000

[pri.A]

100000



Caracteristicas de Arranque de Motores T N E L I S g I D

10 0

[s]

• Característica arranque I =

tcold

n

10

thot

de S n

3 ⋅U n

I a Corriente nominal t start Corriente de arranque

tstart

I p Corriente de magnetización (Inrush)

1

In

t inrush Duración de la corriente de Inrush

Limite térmico Ip

t cold

0 .1

t hot tinrush

Ia 0

1000

Motor - 1

[pri.A]

10000

bajo condiciones frías bajo condiciones calientes



Curva Limite de Cables T N E L I S g I D

10

• Capabilidad térmica [s]

Ithr

I th < I thr

Tkr

1

T kr T k

con

0.01s ≤ Tk ≤ 10 s

I thr

Corriente de cortocircuito

T kr

Periodo nominal(1s)

T k

Tiempo de liberación de falla

• Corriente magnetización

Ip 0.1

I p

Corriente (Inrush)

tinrush

de

t inrush Duración de

Inrush 0.01

100

Cable-1

10000

[pri.A]

100000

de magnetizacion la corriente de



Curva limite de cales/ Parámetros de líneas

IEC/VDE

ANSI/IEEE

I th < I thr = Fac

k⋅A T k



k = 226 ⋅ ln 1 +





k = 148 ⋅ ln  1 +



k ϑ i ϑ f

A T k

F ac

con

− ϑ i   234.5 + ϑ i  ϑ f

− ϑ i   228 + ϑ i  ϑ f

I th < I thr = Fac

0.01s ≤ Tk ≤ 10s

T k

k = 0.0297 ⋅ log10

para Cu

k = 0.0125 ⋅ log10

para Al

constante de aislamiento Temperatura inicial Max. Temperatura alcanzable Área transversal in mm² Tiempo de liberación de falla Relación del efecto piel

k⋅A

k ϑ i ϑ f

A T k F ac

con ϑ f

+ 234

ϑ i

+ 234

ϑ f

+ 228

ϑ i

+ 228

0.01s ≤ Tk ≤ 10s

para Cu

para Al

constante de aislamiento Temperatura inicial Max. Temperatura alcanzable Área transversal in mm² Tiempo de liberación de falla Relación del efecto piel



Curva de Sobrecarga de Cables 10000

T N E L I S g I D

In

• Sobrecarga (for t > 10s ) [s] 2

 I 0  − t 1 −   e  I b 

b

τ

I < I n

1000

1− e

t b

para corta operacion

τ

I n Corriente nominal en A I 0 Corriente de prefalla en A t b Tiempo de sobrecarga en s

10 0

τ

10

−

100

Cable-1

1000

[pri.A]

10000

Mínimo constante de tiempo del cable



Curva de Transformadores ANSI/IEEE - Cat. I/II T N E L I

10000

S g I

D

[s]

• Curva de limite térmico

Sn = 1MVA (10kV)

– Categoría I (0.15 - 0.5 MVA) – Categoría II (0.501 - 5 MVA)

1000

térmica

100

• Curva de limite mecánico

mecánica

10

Ip

– Categoría II (0.501 - 5 MVA) 12 10 8 7 5 4 uk in %

1

tinrush

Sn = 0,1 MVA (10kV)

• Corriente magnetización I p

0.1

10

100 Category I

1000 [pri.A] Category II

10000

de

Corriente de magnetización

t inrush Duración de la corriente de

magnetización



Curva de Transformadores ANSI/IEEE Cat. III/IV T N E L I S g I

10000

D

[s]

• Curva de limite térmico

Sn = 10 MVA (110kV)

– Categoría III (5.001 - 30 MVA) – Categoría IV ( > 30 MVA)

thermal 1000

Sn = 50MVA (110kV)

100

• Curva de limite mecánico

mechanical

– Categoría III (5.001 - 30 MVA) – Categoría IV ( > 30 MVA)

10

uk in % 12 10 8 7

1

100

5

1000 Category III

4

12 10 8 7

[pri.A] Category IV

5

4

• Curvas de cambio de fase ANSI

10000



4. Protección de Distancia



Relés de Impedancia: Principio de Operación

I U

Medición/ filtración

Arranque/ Detección falla

Zonas de Auslösedisparo Auslösezonen zonen

Elementos TempoAuslöseAuslöserizados zonen zonen

Logica de salida

1/10/2011


Disparo


Medición de Impedancia • Lazo de falla Línea - Línea

Z L I L1 − Z L I L 2 = U L1− L 2 Z L =

U L1− L 2 I L1 − I L 2 ZL

UL1−L2

IL 2

ZL

IL1

ZL

ZE



Medición de Impedancia • Lazo de falla Línea - Tierra

ZL

Z L I L1 − Z E I E = U L1− E Z L =

ZL

U L1− E I L1 −

Z E Z L

⋅ I E

UL1−E

IL1

ZL

IE

ZE

• K0 es independiente de la posición de la falla:

k 0 =

1/10/2011

Z E Z L



Elemento Direccional/Polarizacion

X induktiv inductivo

vorwärts adelante Z

α

atras rückwärts

R

capacitivo kapazitiv



Elemento Direccional/Polarizacion F2

F1

ZG1

ZL

ZG2

G1

G2

1 S

Relais

2 S

X

X ZL+ZG2

ZL+ZG2

F1

ZG1

R

R

F2 ZG1



Coordinación Impedancia Tiempo T N E L I S g I D

Z1 = (0.8...0.9)*Z AB

Z2 = 0.8*(Z AB + (0.8...0.9)*Z BC )

Z3 = 0.8*(Z AB + 0.8*(ZBC + (0.8...0.9)*Z CD))



5. Esquemas de teleprotección



Comparación de Senales

R1

Lógica R1

Lógica R2

R2



PUTT con detección de falla (Permisivo de bajo alcance)

R1:S

R1

R1:Z1

R2:Z1

R2:S R1 dispara si (R1:Z1 o R1:S y R2:Z1) R2 dispara si (R2:Z1 o R2:S y R1:Z1)

R2



PUTT con aceleración por Z1B R1:S

R1 R2:Z1B

R1:Z1

R1:Z1B

R2:Z1

R2:S R1 dispara si (R1:Z1 o R1:Z1B y R2:Z1) R2 dispara si (R2:Z1 o R2:Z1B y R1:Z1) 1/10/2011

R2



POTT con Zona Z1B

R1 R2:Z1B

R1:Z1

R1:Z1B

R2:Z1

R1 dispara si (R1:Z1 o R1:Z1B y R2:Z1B) R2 dispara si (R2:Z1 o R2:Z1B y R1:Z1B)

R2



Comparación direccional de bloqueo (Blocking) R1:R

R1

R1:Z1

R2:Z1

R1 dispara si (R1:Z1 y no R2:R) R2 dispara si (R2:Z1 y no R1:R)

R2

R2:R



Entrada T N E L I S g I D

I 1

L1

L2

A

Z M

I 2

1 B

3 L

2 B

Z M =

B3

Z 1 I 1 + Z 2 ( I 1 + I 2 ) I 1

Z M = Z 1 + Z 2 + Z 2 B

I 2 I 1



5. Modelando Relés de Protección en DIgSILENT PowerFactory



Estructura General Estructura

Rangos

Diagrama de bloque Tipo Rele Librería Red Elemento Del relé

VT

Disparo

CT Ajustes

Voltaje 1 T

2 T

Corriente G ~

G1

G ~

G2



Modelando Relés de Sobrecorriente • No hay limites en termino de complejidad de los modelos • Caracteristicas Disponibles: – – – –

• • • • •

Todos los tipos ANSI / IEEE Todos los tipos IEC Ecuaciones Matematicas Tablas

Interruptores de bajo voltaje Elementos Direccionales Fusibles Curvas limite de Transformador y de Cable Caracteristicas de arranque de motores



Ejemplo: I-t Time-grading Diagram . r o h t u a e h t f o n o i s s i m r e p t u o h t i w m r o f y n a n i d e t u b i r t s i d r o d e c u d o r p e r


Modelado de Rele de Distancia • No hay limites en la complejidad de los modelos • Soporta reles modenos, digitales, multi-funcionales • Caracteristicas – MHO – Quadrilateral – X constante, R constante – Z constante (circulo) • Varios elementos direccionales estan disponibles • Es posible el uso de operaciones logicas complejas • Es posible la comparacion entre senales.



Ejemplo: Digrama de Impedancia R-X T N E L I S g I D

[pri.Ohm]

100. 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0

R3-Mho-1 Zl A 131.086 pri.Ohm 4.31 deg Zl B 26.306 pri.Ohm 81.25 deg Zl C 129.771 pri.Ohm 161.03 deg Faulttype: BC Tripping Time: 0.19 s Zone:2 Ph-Ph 2: 0.19 s Zone:3 Ph-Ph 3: 0.29 s Zone:4 Ph-Ph 4: 0.44 s

10.0

-110. -100... -90.0 -80.0 -70.0 -60.0 -50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0

10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100. 110. 120. 130.

[pri.Ohm]

-10.0.. -20.0 -30.0 -40.0 -50.0 -60.0

R1-Dist R3-Mho-1

R1-Dist Zl A 141.551 pri.Ohm 17.88 deg Zl B 60.135 pri.Ohm 82.35 deg Zl C 140.851 pri.Ohm 147.44 deg Faulttype: BC Tripping Time: 0.37 s Zone3 ZPHPH3: 0.37 s



Ejemplo: Z-t Time-grading Diagram T N E L I S g I D

0.46 [s] 0.37

0.28 R4-Mho-2 Ph-Ph 3 Zone 3

0.18 R8-Dist ZPHPH1 Zone 1

0.09

0.00 0.0

21.0

42.0

63.1

84.1

[pri.Ohm]

105.

HV-UT2

SS-D3

SS-D2

SS-D1

HV-Infeed

HV-UT2

SS-D3

SS-D2

SS-D1

HV-Infeed

105. 0.00

[pri.Ohm]

84.1

63.1

42.0

21.0

0.0

0.09

0.18

0.28

0.37 [s] 0.46 x-Achse: R eaktanz Cub_1\R2-D1 Cub_1\R6-Mho-5

Cub_2\Rel-U1 Cub_2\R3-Mho-1 Cub_2\R7-Mho-6

Cub_2\Rel-L2-1 Cub_1\R4-Mho-2 Cub_2\R8-Dist

Cub_3\R1-Dist Cub_2\R5-Mho-4



Preguntas



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