Criterios Ajuste CP Rev0

CRITERIOS DE AJUSTE Y COORDINACION DE LOS SISTEMAS DE PROTECCION

DEL SEIN

Diciembre 2005

Criterios de ajuste y coordinacin del SEIN

Elaborado : LVC - Consultor / 27 Dic 2005 Pg. 2/80 Revisado : FTG COES/DEV

CRITERIOS DE AJUSTE Y COORDINACION

DE LOS SISTEMAS DE PROTECCION DEL SEIN

Captulo 1 INTRODUCCION

1.1 El sistema de proteccin 1.2 Alcance de los criterios de ajuste y coordinacin de la proteccin 1.3 Principios generales para el ajuste y la coordinacin de la proteccin

1.3.1 Sensibilidad y velocidad de la proteccin 1.3.2 Selectividad de la proteccin

1.3.3 Fiabilidad y Seguridad de la proteccin 1.4 Objetivos del ajuste y la coordinacin de la proteccin 1.5 Proceso de ajuste y coordinacin de la proteccin 1.6 Anlisis de la operacin del sistema 1.6.1 Configuracin del sistema elctrico 1.6.2 Efecto Infeed

1.6.3 Mximas y mnimas corrientes de falla 1.6.4 Simulacin de fallas 1.6.5 Resistencia de Falla

Captulo 2 CRITERIOS GENERALES PARA EL AJUSTE Y LA COORDINACION

DE LA PROTECCION 2.1 Criterio general de ajuste de las protecciones 2.2 Ajuste de las protecciones de corriente

2.2.1 Funciones 50/51 50N/51N 2.2.2 Funcin 46 2.2.3 Funcin 51V

2.3 Ajuste de las protecciones de tensin 2.3.1 Funciones 27 & 59 2.3.2 Funciones 81-u & 81-o

2.4 Ajuste de las protecciones diferenciales 2.4.1 Funcin 87 2.4.2 Funcin 87N

2.5 Ajuste de las protecciones de tipo impedancia 2.5.1 Funciones 21 21N 2.5.2 Funciones 68 - 78

2.6 Ajuste de las protecciones de tipo potencia 2.6.1 Funcin 67 2.6.2 Funcin 67N 2.6.3 Funcin 32

2.7 Ajuste de las protecciones trmicas 2.7.1 Funcin 49 2.7.2 Funcin 49 con RTD

2.8 Ajuste de las protecciones de sobreflujo magntico 2.8.1 Funcin 59/81

2.9 Ajuste de las protecciones de falla de interruptor 2.9.1 Funcin 50BF 2.9.1 Funcin 62BF

2.10 Criterios generales de coordinacin de las protecciones



2.10.1 Protecciones principales y proteccin de respaldo 2.10.2 Protecciones principales y proteccin falla de interruptor 2.10.3 Escalonamiento de tiempos para la coordinacin de la proteccin

2.11 Ajuste y coordinacin de las protecciones de sobrecorriente 2.11.1 Arranque de la proteccin 2.11.2 Ajuste de las unidades temporizadas e instantneas 2.12 Ajuste y coordinacin de las protecciones de distancia 2.12.1 Arranque de la proteccin 2.12.2 Ajuste de las zonas de proteccin

Captulo 3 CRITERIOS PARA EL AJUSTE Y LA COORDINACION DE LA PROTECCION DE LAS CENTRALES ELECTRICAS

3.1 Configuracin de varios grupos en paralelo con un nico transformador 3.1.1 Ajuste y coordinacin de las protecciones graduadas 3.1.2 Proteccin de falla de interruptor

3.2 Configuracin de dos grupos con un nico transformador 3.2.1 Ajuste y coordinacin de las protecciones graduadas 3.2.2 Proteccin de falla de interruptor

3.3 Configuracin de un grupo generador - transformador 3.3.1 Ajuste y coordinacin de las protecciones graduadas 3.3.2 Proteccin de falla de interruptor

Captulo 4 CRITERIOS PARA EL AJUSTE Y LA COORDINACION DE LA

PROTECCION DE LAS SUBESTACIONES 4.1 Configuracin de dos transformadores de dos bobinados en paralelo 4.2 Configuracin de dos transformadores de tres bobinados en paralelo 4.3 Configuracin de dos autotransformadores en paralelo 4.4 Proteccin barras 4.4.1 Proteccin diferencial 4.4.2 Proteccin de sobrecorriente del acoplador 4.5 Proteccin de falla de interruptor 4.5.1 Configuraciones de barra simple y doble 4.5.2 Configuraciones de anillo e interruptor y medio

Captulo 5 CRITERIOS PARA EL AJUSTE Y LA COORDINACION DE LA PROTECCION DE LAS LINEAS DE TRANSMISION

5.1 Lneas radiales con transformador al final de la lnea y recierre trifsico 5.2 Lneas radiales con transformador al final de la lnea y recierre monofsico 5.3 Lneas de interconexiones medianas y largas de simple y doble terna 5.4 Lneas de interconexiones cortas de simple y doble terna

Captulo 6. CRITERIOS DE AJUSTE Y COORDINACIN DE LAS PROTECCIONES SISTEMICAS

6.1 Prdida de sincronismo 6.2 Rechazo de carga por baja tensin 6.3 Rechazo de carga por baja frecuencia 6.4 Proteccin de sobrefrecuencia 6.5 Proteccin de sobretensin y de mnima tensin

REFERENCIAS



Captulo 1 INTRODUCCION 1.1 El sistema de proteccin

El sistema de proteccin de los equipos y/o instalaciones del sistema elctrico tiene como objetivos:

1. Detectar las fallas para aislar los equipos o instalaciones falladas tan pronto como sea posible

2. Detectar y alertar sobre las condiciones indeseadas de los equipos para dar las alertas necesarias; y de ser el caso, aislar al equipo del sistema

3. Detectar y alertar sobre las condiciones anormales de operacin del sistema; y de ser el caso, aislar a los equipos que puedan resultar perjudicados por tales situaciones

El sistema de proteccin debe ser concebido para atender una contingencia doble; es decir, se debe considerar la posibilidad que se produzca un evento de falla en el sistema elctrico, al cual le sigue una falla del sistema de proteccin, entendido como el conjunto Rel-Interrutpor. Por tal motivo, se debe establecer las siguientes instancias:

1. Las protecciones principales (primaria y secundaria) que constituyen la primera lnea de defensa en una zona de proteccin y deben tener una actuacin lo ms rpida posible (instantnea).

2. Las protecciones de respaldo que constituyen la segunda instancia de actuacin de la proteccin y debern tener un retraso en el tiempo, de manera de permitir la actuacin de la proteccin principal en primera instancia. Estas protecciones son las siguientes: A. La proteccin de falla de interruptor que detecta que no ha operado

correctamente el interruptor que debe interrumpir la corriente de falla; y por tanto, procede con la apertura de los interruptores vecinos para aislar la falla.

B. La proteccin de respaldo, la cual detecta la falla y acta en segunda instancia cuando no ha actuado la proteccin principal. Para ser un verdadero respaldo, este rel debe ser fsicamente diferente de la proteccin principal.

El Sistema de Proteccin est constituido por las protecciones antes mencionadas; y adems, por las protecciones preventivas y las protecciones incorporadas en los equipos. Para cada uno de ellos se debe definir su operacin, de manera de detectar las condiciones antes mencionadas, las cuales requieren de su inmediata intervencin; pero, asimismo, no causando ninguna perturbacin al sistema con ninguna actuacin indebida durante la operacin normal del sistema, bajo todas las condiciones de generacin y demanda, as como en cualquier configuracin posible del sistema elctrico. En general, las protecciones son diseadas para operar en dos formas distintas: como Protecciones Unitarias para detectar fallas en una zona de proteccin o como Protecciones Graduadas para detectar fallas en ms de una zona de proteccin. Ver figura 1.1. Las Protecciones Unitarias se caracterizan por lo siguiente:

1. Son totalmente selectivas porque slo detectan fallas en su zona de proteccin.



2. No pueden desempear funciones de proteccin de respaldo porque no son sensibles a fallas fuera de su zona de proteccin.

3. Operan bajo el principio diferencial calculando la diferencia entre las corrientes que entran y salen de la zona protegida, ya que esta diferencia indica que hay una corriente que fluye por una falla dentro de esta zona.

Figura 1.1 Tipos de Proteccin

Las Protecciones Graduadas se caracterizan por lo siguiente:

1. Son relativamente selectivas porque detectan fallas en ms de una zona de proteccin. 2. Desempean funciones de proteccin de respaldo porque son sensibles a fallas en las

zonas vecinas a su zona de proteccin. 3. Operan midiendo las corrientes, tensiones, impedancias, etc., cuya graduacin

establecer la graduacin de su tiempo de actuacin.

1.2 Alcance de los criterios de ajuste y coordinacin de la Proteccin

Para definir la operacin del sistema de proteccin, se debe considerar un ajuste que sea totalmente adaptado a todas las condiciones de operacin normal del sistema elctrico; y adems, se requiere una coordinacin para asegurar que las fallas, el funcionamiento anormal del sistema, as como las condiciones indeseadas de los equipos sean aisladas afectando al mnimo a las partes no afectadas. Ajuste de la proteccin Ajustar la proteccin significa definir los lmites o umbrales de su caracterstica de operacin para detectar las fallas, las condiciones anormales del sistema y las condiciones indeseadas de los equipos. Es decir, ajustar la proteccin es definir los umbrales de las seales de entrada (o de un algoritmo de ellas), los cuales determinarn la operacin de la proteccin.



El ajuste de la proteccin est determinado por la capacidad y el comportamiento de los equipos e instalaciones del sistema elctrico, en todas las condiciones de operacin, ya sean temporales como permanentes. Coordinacin de la proteccin Coordinar la proteccin significa definir los tiempos de operacin de la proteccin para permitir la actuacin debidamente priorizada de los rels de proteccin, minimizando los tiempos de actuacin y garantizando una apropiada graduacin en los tiempos de actuacin de todas las protecciones, tanto las principales como las de respaldo. La coordinacin de la proteccin est determinada por la necesaria graduacin de tiempos para la correcta y oportuna actuacin de todas las protecciones.

Criterios de ajuste y coordinacin de la proteccin Para establecer los criterios de ajuste y coordinacin de la proteccin se debe considerar lo siguiente:

1. Las protecciones principales y de respaldo cuando sean protecciones unitarias solamente requieren ajustes con respecto a las caractersticas de operacin de los correspondientes equipos; y en consecuencia, en el presente documento solamente se menciona de manera general algunas recomendaciones para este ajuste

2. Las protecciones principales y de respaldo cuando sean protecciones graduadas

sern ajustadas y coordinadas de acuerdo a lo establecido en el presente documento

3. Las protecciones preventivas y las protecciones incorporadas en los equipos sern ajustadas de acuerdo a los criterios de cada proyecto y siguiendo las recomendaciones de los fabricantes de los equipos, las cuales estn vinculadas a las garantas proporcionadas por stos.

1.3 Principios generales para el ajuste y la coordinacin de la proteccin

1.3.1 Sensibilidad y velocidad Se debe definir la operacin de los rels de proteccin para detectar las fallas, el funcionamiento anormal del sistema y las condiciones indeseadas de los equipos. El ajuste y la coordinacin de la proteccin deben tener las siguientes caractersticas:

1. Sensibilidad para detectar estas condiciones por muy incipientes que stas sean. 2. Velocidad para detectar estas condiciones lo ms prontamente posible.

En una proteccin unitaria que comprende solo una zona de proteccin, la sensibilidad como lmite distinguir la operacin normal de la condicin de falla. En cambio, en una proteccin graduada que alcanza ms de una zona, la sensibilidad tiene como lmite o meta detectar las fallas con la mnima corriente de falla, la cual se produce con la mnima generacin en el extremo de las zonas vecinas a la zona protegida. La velocidad de una proteccin esta ligada al tiempo de operacin de los siguientes componentes:



1. El tiempo de operacin del Rel que debe ser de dos ciclos. Cuando se aplica un esquema de tele proteccin se debe agregar el tiempo de transmisin de las seales.

2. El tiempo de operacin del Interruptor que vara entre dos y cuatro ciclos, segn el nivel de tensin.

El criterio antes mencionado es aplicable a la proteccin primaria que debe actuar sin ninguna temporizacin. Para la proteccin secundaria se tiene los siguientes lmites:

1. El tiempo de critico de extincin de la falla por razones de estabilidad 2. El tiempo que los equipos e instalaciones soportan un cortocircuito sin dao fsico y

sin afectar la seguridad de las personas. Es una buena prctica generalizada utilizar 500 ms en los diseos de seguridad de las puestas a tierra; y de otra parte, es tambin una prctica aplicar este mismo tiempo como lmite de exigencia por cortocircuito a los equipos, con la finalidad de cuidar su vida til. Por esta razn, es recomendable limitar los tiempos de extincin de las falla por parte de las protecciones a 500 ms. Se debe notar que este tiempo incluye la apertura del interruptor. 1.3.2 Selectividad de la proteccin

La selectividad de la proteccin requiere un apropiado ajuste para detectar todas las fallas en su(s) zona(s) de proteccin; pero, tambin requiere una actuacin debidamente coordinada. La funcin objetivo del ajuste y la coordinacin de la proteccin ser la total selectividad con la mxima sensibilidad y la mxima velocidad. Sin embargo, en la realidad estas caractersticas no pueden ser todas maximizadas de manera independiente, ya que estn relacionadas entre s. Cuando se incrementa una de ellas lo ms probable es que se disminuya las otras dos. 1.3.3 Fiabilidad y seguridad de la proteccin Con la finalidad de asegurar una buena fiabilidad de la proteccin, se recomienda que la proteccin principal sea redundante; es decir, se debe tener dos rels de proteccin fsicamente diferentes (proteccin primaria y secundaria), los cuales deben operar de manera independiente uno del otro y contar con bateras de alimentacin diferentes. Estas protecciones actuarn en paralelo; es decir, cualquiera de ellas efectuar la accin de disparo de los interruptores. Cuando la seguridad de la proteccin que otorga un elemento puede ser insuficiente, se recomienda emplear dos elementos de proteccin que deben actuar en forma simultnea para efectuar una accin de disparo a un interruptor. Es decir, los contactos de estos elementos deben ser conectados en serie para que la accin sea vlida.

1.4 Objetivos del ajuste y la coordinacin de la proteccin

El ajuste y la coordinacin de la proteccin tienen por objetivo asegurar que se cuenta con un sistema de proteccin principal y de respaldo que funciona de la siguiente manera:

1. La proteccin principal debe proteger totalmente el sistema elctrico y eliminar cualquier

falla en un tiempo mximo de 100 ms. Este tiempo equivale a una proteccin de 2 ciclos y un interruptor de 4 ciclos.



COORDINACION DE LA PROTECCION FALLA

DE INTERRUPTOR

COORDINACION DE LAS PROTECCIONES

DE RESPALDO

CONFIGURACIONES DEL SISTEMA

ANALISIS DE OPERACIN NORMAL

DEL SISTEMA

SIMULACION DE FALLAS EN EL

SISTEMA

AJUSTE DE LAS PROTECCIONES

PRINCIPALES

2. La proteccin de respaldo de la proteccin principal est constituida por rels fsicamente

diferentes a los de la proteccin principal. La proteccin de respaldo debe proteger totalmente el sistema y eliminar cualquier tipo de falla en un tiempo mximo de 500 ms.

1.5 Proceso de ajuste y coordinacin de la proteccin

El ajuste y coordinacin de la proteccin es un proceso que comprende la integracin de varios subprocesos interrelacionados, de manera que muchas veces es necesaria una retroalimentacin hasta llegar al resultado final. En la figura 1.2 se muestra una esquematizacin simplificada del proceso. Para el ajuste de la proteccin se requiere determinar previamente todas las condiciones de operacin del sistema elctrico, las cuales determinan el lmite de la no actuacin de la proteccin. Para ello se debe considerar todas las configuraciones posibles, as como todos los escenarios de de generacin y demanda. Sobre la base de todas estas condiciones se puede determinar el ajuste de las protecciones principales.

Figura 1.2 Proceso

de Ajuste y Coordinacin de la Proteccin

Los ajustes obtenidos para las protecciones principales deben ser verificados para coordinar su actuacin como protecciones de respaldo. Esto significa que las protecciones unitarias no requieren ninguna coordinacin puesto que solamente operan en una zona de proteccin, mientras que las protecciones graduadas deben ser coordinadas para verificar su actuacin como protecciones de respaldo en las zonas de proteccin vecinas.

1.6 Anlisis de la operacin del sistema

El anlisis de la operacin del sistema elctrico tiene por objetivo determinar las mximas y mnimas corrientes de falla que deben servir para ajustar los rels y determinar sus tiempos de operacin que permitan asegurar la adecuada coordinacin de la proteccin. Para ello se debe considerar todas las condiciones operativas, incluso aquellas que son de carcter temporal como la conexin de los circuitos.

1.6.1 Configuracin del sistema elctrico

Las alternativas de configuracin deben servir para analizar todas las posibilidades de conexiones del sistema elctrico, las cuales pueden causar que se tenga distintas impedancias de la red como son: los anillos abiertos, las lneas paralelas, los transformadores en derivacin, etc.



1.6.2 Efecto Infeed

Cuando el sistema elctrico tiene una configuracin compleja donde se hay varias centrales interconectadas, las cuales constituyen alimentaciones a las fallas, se produce un efecto infeed como el que se muestra en la figura 1.3. El efecto infeed es aumentar el valor de la corriente para la impedancia vista por el rel en la barra C para fallas ms all de la barra B con lo cual el rel ve las fallas ms all de su real ubicacin.

Figura 1.3 Efecto infeed



Figura 1.4 Efecto infeed variable segn la posicin de la falla

Es necesario considerar las alternativas de configuracin con y sin el efecto infeed para determinar los ajustes en las condiciones ms desfavorables. Ms an, si se tiene un sistema con lneas paralelas, el efecto infeed puede ser variable segn la ubicacin de la falla, tal como se muestra en la figura 1.4. En este caso, el efecto infeed para la impedancia vista por el rel en la barra A depende la posicin de la falla en la lnea BC.

1.6.3 Mximas y mnimas corrientes de falla

La mxima y mnima demanda esta asociada a las cargas conectadas al sistema, las cuales determinan la mxima y mnima generacin. El objetivo es determinar las mximas y las mnimas corrientes que pueden alimentar los cortocircuitos, ya que para el ajuste y la coordinacin se tiene un compromiso entre selectividad y sensibilidad de acuerdo a los siguientes criterios:

1. La sensibilidad de la proteccin debe permitir detectar las fallas an con las mnimas corrientes de cortocircuito

2. La selectividad de las protecciones de respaldo debe mantenerse an con las mximas

corrientes de falla, para lo cual se requiere tiempos de debidamente coordinados. Se debe tener en cuenta que el despacho de la generacin es diferente en poca de avenida con relacin al estiaje, ya que en avenida se dispone de suficientes recursos hdricos para un pleno aprovechamiento de las centrales hidroelctricas. El despacho en estiaje requiere un mayor complemento de las centrales termoelctricas. En consecuencia, se debe analizar todos estos escenarios de operacin con las posibles sobrecargas que se puedan presentar. De manera independiente al despacho del sistema, para el caso de las protecciones de las centrales y las lneas que se conectan, se debe considerar los distintos despachos posibles de las unidades generadoras.

1.6.4 Simulacin de fallas



Para determinar las corrientes de falla se debe simular todos los tipos de cortocircuitos, algunos de los cuales pueden tener contacto a tierra a travs de una resistencia de falla. Esta simulacin debe efectuarse en las barras de las centrales y subestaciones, as como a lo largo de la lnea. En los clculos de cortocircuito se debe considerar las impedancias para las condiciones ms desfavorables, de acuerdo a lo siguiente:

Para los generadores se debe usar las impedancias sub-transitorias no saturadas Para los transformadores se debe usar las impedancias en las tomas (taps) de

operacin ms desfavorables. Para las lneas se debe usar las impedancias propias; y en el caso de lneas en paralelo,

las impedancias mutuas.

Figura 1.5 Corriente de cortocircuito en fallas cercanas a los generadores



Los clculos deben permitir determinar no slo las corrientes totales de falla en las barras de las subestaciones, sino tambin los aportes a las corrientes de falla de cada circuito conectado a dichas barras. De manera similar se debe calcular las corrientes de falla en las lneas de transmisin. Para el anlisis de fallas cercanas a los generadores es necesario considerar el comportamiento real de la mquina, lo que conlleva a considerar la curva de la corriente de cortocircuito de la mquina en funcin del tiempo.

Se debe simular todas las fallas en las subestaciones. Cuando se tenga doble barra se deber calcular las fallas en cada una de las barras, de manera de determinar las corrientes por el acoplador de barras. Las simulaciones de fallas sern de los siguientes tipos:

Fallas monofsicas a tierra sin resistencia de falla Fallas trifsicas sin resistencia de falla

En las lneas de transmisin se debe simular fallas por lo menos 25%, 50% y 75% de la lnea. En los casos se tiene efecto de infeed variable se debe simular las fallas al 10%, 20%, 30%, etc. de la lnea, a fin de determinar las condiciones ms desfavorables. Las simulaciones de fallas sern de los siguientes tipos:

Fallas monofsicas a tierra sin resistencia de falla Fallas monofsicas a tierra con alta resistencia de falla Fallas bifsicas (fase-fase) con resistencia de falla Fallas trifsicas sin resistencia de falla

1.6.5 Resistencia de Falla Al producirse una falla no siempre se tiene un cortocircuito franco sino que el fenmeno se suele presentar con una resistencia de falla que tiene los siguientes componentes

La Resistencia del Arco que se produce por la falla, el cual se forma en el aire y tiene

una longitud segn la distancia del aislamiento correspondiente La Resistencia de Puesta a Tierra del punto donde se produce la falla, la cual

corresponde al camino de retorno por tierra hasta la fuente Si la falla corresponde a un cortocircuito entres dos fases, la Resistencia de Falla ser:

Rfalla = Rarco2f Si la falla corresponde a un cortocircuito entres una fase y tierra

Rfalla = Rarco1f + RPAT Donde

Rfalla = Resistencia de Falla Rarco1f = Resistencia del arco de fase-tierra



Rarco2f = Resistencia del arco de fase-fase RPAT = Resistencia de Puesta a Tierra en el punto de falla

El valor de la Resistencia del Arco ha sido modelado de diversas maneras y no hay un consenso sobre su estimacin. La frmula de mayor aceptacin es la de Warrington que es la siguiente: Donde

S = distancia de aislamiento fase-fase o fase-tierra, segn sea el caso [pies] I = Corriente de cortocircuito [Amperios] v = Velocidad del viento [millas/hora] t = Tiempo de duracin del cortocircuito [segundos]

En unidades mtricas se tiene: Donde

S = distancia de aislamiento fase-fase o fase-tierra, segn sea el caso [metros] I = Corriente de cortocircuito [Amperios] v = Velocidad del viento [metros/segundo] t = Tiempo de duracin del cortocircuito [segundos]

Para las simulaciones de las fallas en las lneas de transmisin se debe considerar que la Resistencia de Puesta a Tierra puede ser hasta 50 Ohmios. Pero es deseable modelar valores mayores de 100 Ohmios o ms, sobre todo en los siguientes casos:

Un terreno de alta resistividad elctrica, ya que si se tiene una lnea en terreno rocoso o arenoso de alta resistividad, ser difcil conseguir una buena puesta a tierra.

El diseo de la lnea sin cable de guarda, ya que el cable de guarda constituye una conexin que pone en paralelo las puestas a tierra de las estructuras de la lnea, lo que se traduce en una disminucin de la resistencia de puesta a tierra en las fallas.

En la tabla 1.1 se muestra los valores tpicos que resultan de aplicar esta frmula y se puede concluir que valores entre 3 - 4 son apropiados para Resistencia de arco fase a tierra, mientras que se puede adoptar valores de 3 - 5 para los arcos fase-fase. Con estos valores se debera simular las fallas.

4.1

)3(8750I

tvSRarco+=

4.1

)2(28700I

tvSRarco+=



TABLA 1.1 RESISTENCIAS DE ARCO SEGN WARRINGTON

Tensin kV 66 132 220

Distancia fase-tierra Metros 2,00 3,00 4,00

Distancia fase-fase Metros 3,50 5,00 7,00

Velocidad de viento metro/segundos 15,00 15,00 15,00

Tiempo de Cortocircuito Segundos 0,50 0,50 0,50

Corriente de Cortocircuito Amperios 5.000 5.000 5.000

Rarco1 Ohmios 3,23 3,42 3,61

Rarco2 Ohmios 3,52 3,80 4,19



Captulo 2 CRITERIOS GENERALES PARA EL AJUSTE Y LA COORDINACION DE LA PROTECCION

2.1 Criterio general de ajuste de las protecciones

Tal como se ha mencionado, el ajuste de la proteccin est determinado por la capacidad y el comportamiento de los equipos e instalaciones del sistema elctrico, para lo cual se debe considerar todas las condiciones de operacin, ya sean temporales como permanentes. En tal sentido se debe considerar particularmente las corrientes de conexin de equipos o instalaciones como son: la corriente de insercin de los transformadores, la corriente de carga de las lneas de transmisin y las corrientes de arranque de los grandes motores Se debe considerar las posibles sobrecargas de los equipos e instalaciones, de acuerdo a sus capacidades de diseo. En tal sentido, los ajustes de la proteccin representan los umbrales de estas capacidades con un cierto margen de seguridad. Normalmente las capacidades permisibles dependen de la duracin de la exigencia; por tanto, son mayores si duran corto tiempo. En la figura 2.1 se muestra la curva lmte considerando el valor admisible por un transformador-

Figura 2.1 Curva limite de operacin o de dao de un transformador

Tambin es posible considerar un ajuste escalonado de la proteccin en lugar de una curva de aproximacin a la operacin; pero, en toda circunstancia debe conservarse el margen apropiado entre el ajuste y la operacin normal. Para el ajuste se debe considerar todos los factores que afectan la operacin normal como son:



En los Reactores y Bancos de Capacitores, los niveles de tensin que determinan

mayores corrientes; es decir, un aumento de la tensin trae consigo un aumento proporcional de la corriente, con la consiguiente sobrecarga

En los Bancos de Capacitores, las pequeas tensiones armnicas determinan corrientes mayores por causa de la mayor frecuencia. Por ejemplo, la quinta armnica determinar una corriente cinco veces mayor que la tensin de la frecuencia fundamental.

Para los ajustes se debe considerar un margen suficiente que tome en cuenta los posibles errores que se pueden tener en las tensiones, corrientes e impedancias.

En el caso de los ajuste de tensin los errores sern los siguientes:

Error de los transformadores de tensin: 1% Error del rel 1% Conexiones 1% Tolerancia de clculo 5%

Total 8% => 10%

En el caso de los ajuste de corriente los errores sern los siguientes: Error de los transformadores de corriente: 5% Error del rel 1% Tolerancia de clculo 5%

Total 11% => 15%

Para los ajustes de las impedancias se debe considerar otros aspectos que son: Error de los transformadores de tensin: 1% Conexiones 1% Error de los transformadores de corriente: 5% Error del rel 1% Tolerancia de clculo 5%

Total 13% => 15% Por tanto, para los ajustes de las tensiones se debe tomar un margen mnimo del 10%, el cual debe ser considerado en el sentido ms desfavorable; es decir, se debe considerar 90% 110% del valor calculado, segn sea el caso. De la misma manera, para los ajustes de las corrientes e impedancias se debe considerar un margen mnimo del 15%, lo cual lleva a ajustar al 85% el 115% segn sea el caso.

2.2 Ajuste de las protecciones de corriente

2.2.1 Funciones 50/51 50N/51N

La proteccin de corriente mide permanentemente la corriente de cada fase con la finalidad de detectar las sobrecorrientes que se pueden producir en un cortocircuito. El tiempo de actuacin de esta proteccin es una funcin del valor de la corriente y puede ser:



+

= C

II

KTMSt

S

o De tiempo definido cuando se supera un umbral previamente calibrado. En este caso su operacin puede ser instantnea (funcin 50) o temporizada (funcin 51)

o De tiempo inverso cuya operacin depende del tiempo segn una funcin exponencial establecida por la siguiente expresin:

Donde t= Tiempo de actuacin del Rel (variable dependiente) I= Corriente que mide el Rel (variable independiente) = Parmetro que define la curva caracterstica de operacin del Rel Is= Corriente de Arranque del Rel TMS= Constante de ajuste del Rel K = Constante de ajuste del Rel C= Constante de ajuste del Rel

Para el ajuste del rel se debe definir lo siguiente:

Para la funcin (51) La corriente de Arranque del Rel (Is) que viene a ser el umbral de la corriente de

operacin del rel. La constante de ajuste del Rel (TMS) que viene a ser el parmetro que permite definir los

tiempos de operacin segn su curva caracterstica Para la funcin (50) La corriente de arranque del Rel (Is) que viene a ser el umbral de la corriente de

operacin del rel. A pesar que se trata de una funcin instantnea por definicin (ANSI 50), es posible

definir una temporizacin de su actuacin cuando resulte conveniente En la figura 2.2 se muestra los ajustes del rel de sobrecorriente de tiempo inverso (51) combinado con la funcin instantnea (50) en comparacin con un rel de sobrecorriente de tiempo definido con dos umbrales de operacin (50/51)



Figura 2.2 Caractersticas de

operacin de los rels de sobrecorriente

La caracterstica de tiempo inverso ser de acuerdo a los valores de los parmetros como son el exponente , al cual se asocia los otros parmetros del Rel, conforme ha sido establecido por las normas. En la tabla 2.1 se indica estos valores.

Tabla 2.1 - Rels de Sobrecorriente

IEC/BS ANSI/IEEE Caracterstica

K C K C Tiempo definido - 0 1

Normal Inverso NI 0.02 0.14 0 2.0938 8.9341 0.17966

Muy Inverso VI 1 13.5 0 2 3.922 0.0982

Extremadamente Inverso EI 2 80 0 2 5.64 0.02434

Inverso de Largo Tiempo LI 1 120 0 2 5.6143 2.18592

2.2.2 Funcin 46 La proteccin de carga no balanceada se efecta detectando las corrientes de secuencia negativa (46), cuya presencia indica que se tiene asimetras elctricas que reflejan la



KtII

N

=

22

existencia de una asimetra mecnica en el eje del generador; es decir, que se tiene conectada una carga no balanceada. Los porcentajes admisibles para la corriente permanente de secuencia negativa estn dados por la norma ANSI C50.13 segn se indica en la Tabla 2.2.

Tabla 2.2 Valor admisible permanente de corriente de secuencia negativa

Tipo de Generador Corriente de Secuencia Negativa (% de In)

Refrigeracin indirecta 10 0 960 MVA 8

960 1200 MVA 6

Rotor Liso Refrigeracin

directa 1201 1500 MVA 5

Con arrollamiento amortiguador 10 Polos Salientes Sin arrollamiento amortiguador 5

Los rels de corriente de secuencia negativa operan con una caracterstica de tiempo inverso segn una expresin cuadrtica que es la siguiente:

Donde I2 = Corriente de secuencia negativa IN = Corriente nominal de la mquina t = tiempo K = Constante de la mquina

Los ajustes del rel deben ser efectuados segn las recomendaciones del fabricante del generador y deben considerar dos niveles de actuacin que son:: Alarma y Disparo. Los valores tpicos estn indicados en la tabla 2.3.

Tabla 2.3 Ajustes de los rels de secuencia negativa

Caracterstica Nivel Alarma

Nivel Disparo

Corriente no balanceada permisible Valores referidos a los indicados en la Tabla 2.4

80% 100%

Temporizacin de la operacin 5 segundos 10 segundos

Tiempo de reposicin

240 segundos 240 segundos

2.2.3 Funcin 51V

Con la finalidad de acelerar la actuacin de la proteccin cuando se tiene una falla cercana, se puede incluir en la proteccin de sobrecorriente un ajuste segn la tensin que se tiene en el punto de medida, ya que la impedancia de la mquina es el componente principal de la impedancia de falla. Para ello se debe considerar lo siguiente:



La tensin que se mide en a la salida del generador es un valor reducido de la tensin nominal debido a que la cada de tensin en la impedancia interna de la mquina.

El valor de la corriente de falla es sensiblemente variable en el tiempo debido a que la impedancia del generador es el componente principal de la impedancia del cortocircuito.

Para esta proteccin existen dos caractersticas de operacin que son:

Sobrecorriente con restriccin de tensin que acta cuando la corriente supera su valor de ajuste; pero, tambin para valores menores segn el nivel de tensin que se mide. Con esto se logra una aceleracin de su tiempo de operacin; es decir, el tiempo ser menor cuanto ms baja sea la tensin. En la figura 2.3 se muestra la curva con la caracterstica tpica de la relacin tensin-corriente de operacin. Los valores de ajuste corresponden al 100% de la corriente y 100% de la tensin del grfico.

Sobrecorriente con control de tensin que acta cuando la corriente supera su valor de ajuste, pero se requiere que la tensin sea menor que un determinado umbral previamente definido. En la figura 2.3 se muestra los ajustes de la corriente y la tensin de operacin.

Figura 2.3 Caractersticas de los rels de sobrecorriente con restriccin de tensin

La operacin del rel resulta ser una familia de curvas que depende de la tensin. Por tanto, el ajuste debe ser verificado con la corriente de cortocircuito que tambin es variable en el tiempo. En la figura 2.4 se muestra un caso donde se tiene las curvas del rel, as como la curva de la corriente de falla en los bornes del generador. La interseccin de ambas curvas representa el punto de operacin del rel.



Figura 2.4 - Ajuste del Rel 51V

2.3 Ajuste de las protecciones de tensin

2.3.1 Funciones 27 & 59 La proteccin de tensin mide permanentemente la corriente de cada fase con la finalidad de detectar las tensiones que son mayores o menores que las del rango normal de operacin. Si las tensiones son menores que las del rango establecido se tiene un proteccin de subtensin o mnima tensin (funcin 27); en el caso de tensiones mayores se tiene la proteccin de sobretensin (funcin 59). El tiempo de actuacin de esta proteccin es una funcin del valor de la tensin y puede ser:

o Tiempo Definido cuando se supera un umbral previamente calibrado. En este caso su operacin puede ser instantnea o temporizada

Para la proteccin de sobretensin (funcin 59)

V > VSET-OVER t = TOVER Para la proteccin de subtensin (funcin 27)

V < VSET-UNDER t = TUNDER o Tiempo Inverso cuya operacin depende del tiempo segn una funcin exponencial

establecida por las normas, de acuerdo a la siguiente expresin:



=

1

1

SVV

TMSt

Donde

t= Tiempo de actuacin del Rel (variable dependiente) V= Tensin que mide el Rel (variable independiente) Vs= Tensin de Arranque del Rel TMS= Constante de ajuste del Rel

Como se puede apreciar, el tiempo de operacin depende de variacin de la tensin tanto para valores mayores como menores que la tensin nominal, de una manera simtrica, ya que se toma el valor absoluto de la diferencia. Por tal motivo, es necesario aadir el umbral de arranque es

Para la proteccin de sobretensin (funcin 59)

V > VSET-OVER

Para la proteccin de subtensin (funcin 27)

V < VSET-UNDER 2.3.2 Funciones 81-u & 81-o Las protecciones de frecuencia son protecciones que toman la seal de tensin, pero miden la frecuencia de la onda alterna. Esta proteccin se aplica en dos casos que son: Sobrefrecuencias (81-o) que ocurren por disminucin de carga del generador y la mquina no logra estabilizar su frecuencia oportunamente. Los ajustes son para un umbral establecido con una temporizacin que se debe especificar

Proteccin de sobrefrecuencia f > fSET-OVER t = TOVER

Bajas frecuencias (81-u) que ocurren por la prdida de la capacidad del grupo de atender la carga conectada. Los ajustes son para un umbral establecido con una temporizacin que se debe especificar

Proteccin de sobrefrecuencia f < fSET-UNDER t = TUNDER

Para conseguir una accin ms rpida, se puede considerar una proteccin sobre la base de la variacin de la frecuencia. En este caso, el rel acta cuando se supera un umbral previamente calibrado.



rdtdf

2.4 Ajuste de las protecciones diferenciales 2.4.1 Funcin 87 La proteccin diferencial funciona calculando la diferencia de las corrientes que entran y salen de la zona protegida. Para ello se debe tomar en cuenta que existen diferencias que no son imputables a una falla. Estas corrientes diferenciales que corresponden a valores de la operacin normal son las siguientes:

1. Las corrientes de magnetizacin (o de carga) del elemento protegido que es una cantidad constante. Ver I1 en la figura 2.5.

2. El error de relacin en los transformadores de corriente que es una diferencia casi

proporcional a los valores de la corriente. Si la proteccin diferencial se aplica a un transformador de potencia que tiene diferentes tomas (taps), el error de los transformadores de corriente ser del mismo tipo por esta causa. Ver I2 en la figura 2.5.

3. El error debido a la saturacin de los transformadores de corriente, el cual

prcticamente no existe con pequeas corrientes, pero que se hace mayor con elevadas corrientes. Ver I3 en la figura 2.5.

La corriente diferencial que no es falla es la suma de estas tres componentes y su clculo permite establecer el ajuste del rel diferencial para que no efecte una falsa operacin.

Figura 2.5 Definicin de la operacin de la proteccin diferencial



Tal como se muestra en la figura 2.6, el ajuste de la proteccin diferencial se define en tres rangos de valores que son: La zona 1 que corresponde a una mnima corriente diferencial que es constante. Esta zona

queda definida con el valor de IB.

La zona 2 que corresponde a una caracterstica con pendiente que debe considerar las diferencias de relacin de transformacin, tanto de los transformadores de corriente como del equipo protegido, como es el caso de los transformadores de potencia. Esta zona queda definida con la pendiente k1

La zona 3 que debe permitir evitar cualquier error consecuencia de una posible saturacin

de los transformadores de corriente. Este aspecto puede ser crtico si existe la posibilidad de un flujo remanente en los transformadores de corriente. Esta zona queda definida con la pendiente k2

Figura 2.6 - Caracterstica de ajuste de la proteccin diferencial

2.4.2 Funcin 87N La proteccin diferencial de la corriente de tierra (o restringida a tierra como se dice en ingls) suele ser efectuada con una proteccin diferencial de alta impedancia, la cual viene a ser una proteccin diferencial de tensin, ya que utiliza una alta impedancia en el rel, la cual genera una tensin con todas las corrientes que entran a la zona de proteccin. Si no hay falla, o si hay una falla externa a la zona protegida, la suma de las corrientes es cero y la tensin generada en el rel es cero.



Figura 2.7 Proteccin Diferencial de Alta Impedancia

Sin embargo, al momento de producirse un cortocircuito externo se tendr altas corrientes que pueden provocar la saturacin de los transformadores de corriente. Por tanto, se define el ajuste para evitar la operacin del rel en la situacin ms desfavorable que corresponde a lo siguiente:

Se produce una falla externa en la vecindad de la zona de proteccin y como consecuencia de la falla se produce la saturacin de uno de los transformadores de corriente. Se asume que es aquel por donde circula la mayor corriente, mientras los dems operan normalmente.

En la condicin de saturacin, los transformadores de corriente saturados no generan

corriente, sino ms bien se cortocircuitan, ocasionando de esta manera el mayor error posible en el rel. Ver figura 2.7.

La tensin generada en el rel es la corriente multiplicada por la impedancia de los

cables sumada a la alta impedancia del rel, conforme se muestra en la figura 2.7. Una vez calculada la tensin, el ajuste del rel debe ser el 90% de este valor, conforme se ha explicado en el tem 2.1. Con un margen adicional se puede ajustar entre el 70% al 90%.

2.5 Ajuste de las protecciones de tipo impedancia

2.5.1 Funciones 21 21N Esta proteccin opera midiendo la tensin y corriente con la finalidad de obtener la impedancia vista en el punto de instalacin del rel. El clculo de las impedancias se efecta de acuerdo a lo siguiente:



ba

baba II

VVZ

=

003 IkIV

IZZI

VZa

a

Ea

Ea

aa +=

+

=

Para las impedancias entre fases (funcin 21) Para las impedancias entre fases y tierra (funcin 21N) Por tanto para que el rel pueda efectuar todos los clculos se le debe proporcionar el valor del k0 correspondiente a la instalacin a ser protegida. El rel se aplica con un esquema de medida completo (full cheme); es decir, utiliza tres unidades de medida fase-fase (R-S, S-T & T-R) y tres unidades de medida fase-tierra (R-N, S-N & T-N) en cada zona. a) Caracterstica cuadrilateral En la figura 2.8 se muestra la caracterstica cuadrilateral para un rel que tiene tres zonas hacia delante (Z1, Z2 & Z4) una zona hacia atrs (Z3) y una zona global (Z5). Tambin se muestra la impedancia de una lnea de transmisin y la posible interferencia de la carga conectada a la lnea. Para el ajuste se debe definir para cada zona y los valores del alcance de la resistencia y la reactancia (R, X), tanto para el ajuste entre fases (21) como para el ajuste entre fase y tierra (21N). Asimismo, se debe definir los tiempos de operacin de cada zona (t1, t2, t3, t4, t5). b) Caracterstica reactancia con control tipo mho Este rel se aplica con una caracterstica de reactancia en cada zona y tiene un control con una caracterstica tipo Mho. En consecuencia se debe definir lo siguiente:

Caracterstica Mho: Dimetro y ngulo Ajustes fase-fase (X1), (X2) Ajustes de tiempo t1, t2 & t3

c) Caracterstica tipo impedancia En la figura 2.9 se muestra esta caracterstica con dos zonas de proteccin. Para su ajuste se debe especificar el valor de la impedancia (Z) de cada zona.



Figura 2.8 Caracterstica cuadrilateral

Figura 2.9 Rels con caracterstica reactancia con mho e impedancia

2.5.2 Funciones 68 - 78

Para la funcin de bloqueo por oscilacin de potencia (funcin 68) se debe especificar una caracterstica que permita detectar el valor variable de la impedancia vista por el rel como consecuencia de la oscilacin de potencia. Por ejemplo, en el tipo cuadrilateral se aplica la zona 5 conforme se ve en la figura 2.8.



cccbbbaaa IVIVIVP coscoscos ++=

2.6 Ajuste de las protecciones de tipo potencia

2.6.1 Funcin 67 La proteccin de sobrecorriente direccional es similar a la de sobrecorriente no direccional; pero, adems, se debe especificar la direccin del flujo de corriente para la que se aplica la proteccin. Para su evaluacin numrica por el rel se requiere una referencia o polarizacin con la que se efecta el clculo. Se prefiere usar la tensin porque se su ngulo se mantiene relativamente constante durante una falla y usualmente se aplica lo siguiente:

Corriente fase R: Tensin ST Corriente fase S: Tensin TR Corriente fase T: Tensin RS

Se debe notar que el ngulo de fase entre las corrientes y las tensiones mencionadas es aproximadamente de 90 de manera que para el clculo se considera el valor en cuadratura. Sin embargo, su valor va a depender de la relacin X/R del circuito de falla, por tanto se debe verificar que el ngulo de operacin del rel es apropiado para obtener la mxima sensibilidad. 2.6.2 Funcin 67N La proteccin de sobrecorriente direccional a tierra es similar a la de sobrecorriente no direccional; pero, adems, se debe especificar la direccin del flujo de corriente para la que se aplica la proteccin. Para su evaluacin numrica por el rel se requiere una referencia o polarizacin con la que se efecta el clculo. Se prefiere usar la tensin homopolar por lo cual se debe ajustar el ngulo de mxima sensibilidad segn el sistema de puesta a tierra. Como referencia se indica:

Sistema de transmisin con puesta a tierra directa -60 Redes de distribucin con puesta a tierra directa -45 Sistema con puesta a tierra a travs de resistencia 0

Para una mejor evaluacin de la condicin de falla se utiliza tambin el valor de ambas magnitudes la corriente homopolar y la tensin homopolar, de manera que el rel viene a ser de potencia homopolar. 2.6.3 Funcin 32 La proteccin de potencia inversa se aplica para evitar el flujo de potencia activa en una determinada direccin y se calcula a partir de la tensin y la corriente que mide el rel La proteccin de potencia



inversa se aplica a los generadores y su ajuste se hace en funcin de la potencia nominal. Para ello se debe considerar una temporizacin que permita evitar falsas actuaciones cuando la mquina absorbe potencia sincronizante o cuando se produce una oscilacin de potencia.



2

0 Idtd =+

2.7 Ajuste de las protecciones trmicas 2.7.1 Funcin 49 Esta proteccin opera simulando el calentamiento del elemento protegido, en funcin de la corriente que circula por este elemento, de acuerdo a la siguiente ecuacin: Donde

= Temperatura que alcanza la mquina o = Temperatura ambiente o del refrigerante de la mquina

= Constante trmica de la mquina, la cual tiene unidades de tiempo I = Corriente que circula por la mquina Para el ajuste se debe considerar lo siguiente:

El ajuste de la constante de tiempo de la mquina debe ser efectuado segn el fabricante del equipo.

El valor de la corriente de arranque debe ser por lo menos 15% encima de la corriente nominal; es decir, corrientes menores al 115% son permisibles en forma permanente.

Se debe considerar dos niveles de ajuste de actuacin que corresponden a Alarma y Disparo. El ajuste de alarma debe corresponder al 90% de la temperatura de disparo

2.7.2 Funcin 49 con RTD Esta proteccin opera utilizando detectores resistivos de temperatura (Resistance Temperature Detector RTD) instalados en la misma mquina a ser protegida. Para el clculo se considera que la temperatura modifica el valor de la resistencia y se utiliza el circuito mostrado en la figura 2.10. El ajuste del rel debe ser efectuado segn las instrucciones del fabricante del equipo.

Figura 2.10 Rels con Resistencias Detectoras de Temperatura



2.8 Ajuste de las protecciones de sobreflujo magntico

2.8.1 Funcin 59/81 La relacin tensin/frecuencia en los bobinados de una mquina son un indicador del flujo magntico. De acuerdo a normas, las mquinas deben operar con un valor de 1.05 veces su valor nominal. Por tanto, por encima de este valor se puede producir un incremento del flujo magntico, el cual puede llegar a producir la saturacin del ncleo magntico. La proteccin de sobreflujo mide la relacin Voltios/Hertz y se puede ajustar con dos niveles de operacin: alarma y disparo. Para el disparo se puede considerar una operacin de tiempo inverso (o definido) de manera de obtener una tolerancia a cualquier fenmeno transitorio.

2.9 Ajuste de las protecciones de falla de interruptor

La proteccin de falla de interruptor es un sistema de control para prevenir la falta en la apertura de un circuito de alta tensin cuando se ha dado una orden de apertura por cualquier rel de proteccin. 2.9.1 Funcin 50BF El principio de deteccin se basa en la medicin de la corriente que circula por el interruptor (funcin 50BF), la cual debe ser cero al haberse efectuado la apertura exitosa del circuito en los tres polos. Por tanto, el ajuste del rel 50BF debe ser el valor ms pequeo posible para lo cual se puede utilizar un valor entre el 20% al 120% de la corriente nominal del circuito. El valor mayor permite asegurar que el rel solo operar en caso de falla. 2.9.2 Funcin 62BF Al producirse una Falla de Interruptor se debe proceder de la siguiente manera:

1. En primera instancia (funcin 62BF1) se debe efectuar una orden de apertura a ambas Bobinas de Apertura del Interruptor. Este tiempo debe ser definido considerando un margen de actuacin sobre la proteccin principal y no debe interferir con los recierres automticos.

2. En segunda instancia (funcin 62BF2) se debe proceder con la apertura de los Interruptores vecinos de manera que se pueda obtener la apertura del circuito deseado, al mismo tiempo que se consigue aislar al Interruptor fallado.

2.10 Criterios generales de coordinacin de las protecciones

La coordinacin de las protecciones consiste en definir las graduaciones de tiempo necesarias para la operacin debidamente priorizada del sistema de proteccin con la finalidad que su actuacin sea en el mnimo tiempo posible. En tal sentido, se requiere considerar las coordinaciones entre la(s) proteccin(es) principal(es) y la proteccin de falla de interruptor, as como con la proteccin de respaldo. 2.10.1 Protecciones principales y proteccin de respaldo



MrRPR ttttt +++= 52

Para determinar la coordinacin con la proteccin de respaldo se debe considerar la secuencia de eventos mostrada en la figura 2.11 que se detalla a continuacin:

1. Al producirse una falla se inicia la actuacin de la proteccin principal que tiene un tiempo de actuacin mnimo (tR), sin ningn retraso adicional, que termina dando una orden de apertura al Interruptor

2. La falla se extingue despus de la operacin de apertura de la corriente de falla por

parte del interruptor que tiene un tiempo de operacin (t52).

3. Si la falla no se extingue, la proteccin de respaldo debe actuar, para lo cual se debe considerar un margen previo. En este margen se debe incluir el tiempo de reposicin del rel (tr) ms un adicional (tM) despus del cual se enva un orden de apertura al interruptor.

4. La falla ser extinguida por la proteccin de respaldo despus del tiempo de apertura

del interruptor (t52)

Proteccion PrincipalInterruptorProteccion de Respaldo

tR t52 tr tM t52

FallaApertura delInterruptor

Inicio de Proteccin de Respaldo

Orden de PR al Interruptor

Orden de Proteccion Principal al Interruptor

Despeje de la Falla

Figura 2.11 - Coordinacin Proteccin entre Principal y Proteccin de Respaldo

De acuerdo a lo expuesto, el tiempo de ajuste de la proteccin de respaldo (tPR) vendr dado por la siguiente expresin Los valores usuales para la los tiempos antes mencionados estn indicados en la tabla 2.4.

Tabla 2.4 Tiempos para coordinacin de los rels Rels

Tiempo del rel

tR

Reposicin del rel

tr

Margen de operacin

tM Digitales

Ciclos

2

1

4



R1 L1 L2 R2

A

R3 R4

L3 L4

Milisegundos 33 17 67 Ciclos

4

8

8

Electromecnicos

Milisegundos 67 133 133 2.10.2 Protecciones principales y proteccin falla de interruptor

La proteccin de falla de interruptor debe ser coordinada para una actuacin con anticipacin a las protecciones de respaldo. Esto es particularmente importante cuando se tiene un esquema de doble barra en las subestaciones. En la Figura 2.12 se muestra un caso que permite apreciar que la actuacin de la proteccin de falla de interruptor reduce los disparos de la proteccin de respaldo remoto.

Figura 2.12 Coordinacin entre proteccin falla de interruptor y

proteccin de respaldo remoto

Si despus de una falla en la lnea L4-R4 se produce una falla del interruptor L4, la proteccin de falla de interruptor abrir los interruptores L3 y A, aislando la falla y dejando en operacin las lneas entre R1-L1 y L2-R2; en cambio, el respaldo remoto ocasionar la apertura de los interruptores R1, R2 y R3, perdindose las lneas entre R1-L1 y R2-L2.

Para determinar la coordinacin con la proteccin de falla de interruptor se debe considerar la secuencia de eventos mostrada en la figura 2.13 que se detalla a continuacin:

1. Al producirse una falla se inicia la actuacin de la proteccin principal que tiene un tiempo de actuacin mnimo (tR), sin ningn retraso adicional, que termina dando una orden de apertura al Interruptor

2. La falla se extingue despus de la operacin de apertura de la corriente de

falla por parte del interruptor que tiene un tiempo de operacin (t52).

3. Si la falla no se extingue, la proteccin de falla de interruptor debe actuar en su primera etapa para efectuar una reiteracin del disparo a ambas bobinas del interruptor, para lo cual se debe considerar un margen previo. En este margen se debe incluir el tiempo de reposicin del rel (tr) ms un adicional (tM) y el tiempo del rel auxiliar (tX) que enva la reiteracin de apertura al interruptor.



1521 XMrRBF tttttt ++++=

25212 XMrBFBF tttttt ++++=

4. Si la falla no es extinguida en esta primera etapa de la proteccin de falla de

interruptor, se inicia la segunda etapa para efectuar la apertura de todos los interruptores vecinos que deben despejar la falla. Nuevamente es necesario considerar un margen que incluya la reposicin de la proteccin (tr) un tiempo adicional (tM) y el tiempo de los rels auxiliares de disparo (tX).

5. La falla ser extinguida por la proteccin de falla de interruptor despus del

tiempo de la apertura de los interruptores no fallados (t52).

De acuerdo a lo expuesto, los tiempos de ajuste de la proteccin de falla de interruptor en cada etapa (tBF1) y (tBF2) son:

Proteccion PrimariaInterruptorProteccion Falla de Interruptor

tR t52 tr tM tX1 t52 tr tM tX2 t52

FallaApertura delInterruptor

Inicio de Proteccin BF-etapa 1

Reiteracin de disparo al Interruptor

Orden de Proteccion Principal al Interruptor

Apertura exitosa de la reiteracin de disparo

Inicio de Proteccin BF-etapa 2

Despeje de la Falla

Disparo de todos los Interruptores

vecinos

Figura 2.13 Coordinacin proteccin principal y proteccin falla de interruptor

2.10.3 Escalonamiento de tiempos para la coordinacin del sistema de proteccin

Los tiempos de operacin de los interruptores dependen de su tecnologa. Los interruptores antiguos en aceite tenan tiempos de 5 y hasta 8 ciclos; sin embargo, los modernos equipos tienen los tiempos que se indican en la tabla siguiente:

Tabla 2.5 - Tiempos de operacin de los interruptores

Nivel de Tensin

Tensiones

Tiempos de Interrupcin

Muy Alta Tensin

550 kV - 362 kV

2 ciclos = 33 ms

Alta Tensin

245 kV - 145 kV

3 ciclos = 50 ms

Media y Alta Tensin

72.5 kV - 52 kV - 36 kV

4 ciclos = 83 ms



En funcin de los tiempos indicados, se puede establecer el escalonamiento de tiempos que se indica en las tablas 2.6 y 2.7

Tabla 2.5 - Escalonamiento de tiempos para la coordinacin de la proteccin

(ciclos)

Proteccin Falla de Interruptor

RELE

Interruptor

ciclos

Proteccin Principal

Proteccin de

Respaldo sin BF BF1 BF2

Proteccin de

Respaldo con BF

2 4 9 9 13 20 3 5 10 10 15 23 4 6 11 11 17 26 5 7 12 12 19 29

DIGITAL

8 10 15 15 15 28 2 6 14 14 14 24 3 7 15 15 15 26 4 8 16 16 16 28 5 9 17 17 17 30

ELECTRO MECANICO

8 12 20

Tabla 2.6 - Escalonamiento de tiempos para la coordinacin de la proteccin (milisegundos)

Proteccin Falla de Interruptor

RELE

Interruptor

ms

Proteccin Principal

Proteccin de

Respaldo sin BF BF1 BF2

Proteccin de

Respaldo Con BF

33 67 150 150 217 333 50 83 167 167 250 383 67 100 183 183 283 433 83 117 200 200 317 483

DIGITAL

133 167 250 250 250 467 33 100 233 233 333 400 50 117 250 250 250 433 67 133 267 267 267 467 83 150 283 283 283 500

ELECTRO MECANICO

133 200 333



2.11 Coordinacin de las protecciones de sobrecorriente 2.11.1 Arranque de la proteccin

El arranque de las protecciones de sobrecorriente requiere ser definido considerando dos aspectos que son:

1. La capacidad de corriente del elemento protegido, la cual depende de la duracin prevista para la corriente de falla. Lo usual es considerar un margen de seguridad sobre esta capacidad a fin de preservar su vida til

2. La sensibilidad a las corrientes mnimas de falla que se pueden producir al final de la zona protegida, la cual corresponde al elemento protegido (lnea o transformador) y al elemento siguiente.

2.11.2 Ajuste de las unidades temporizadas e instantneas

El ajuste de tiempo debe hacerse para que las fallas en el extremo alejado (far-end) sean despejadas en un tiempo mximo de 500 ms. Este tiempo asegura que la operacin ms all de la zona de proteccin el tiempo de operacin es mayor de 500 ms, lo que permite obtener el adecuado margen de tiempo para la operacin coordinada de las protecciones de la propia zona con la de la zona siguiente. Este ajuste corresponde al elemento (51). Es posible considerar la utilizacin del elemento instantneo (50) para lo cual se puede considerar el circuito mostrado en la figura 2.14 donde se considera que el elemento instantneo solo alcanzar hasta una fraccin del elemento protegido.

Figura 2.14 Ajuste del elemento instantneo

La corriente de falla al final de la lnea ser:

LS ZZVIcc +=

La corriente para la cual se ajusta el elemento instantneo (50) corresponde a un punto intermedio de la lnea, para el cual la corriente ser:



LS ZmZVI +=50

La relacin entre estas corrientes podemos definirla como

mSIRSIR

mZZZZ

ZmZZZ

IIK

LS

LS

LS

LS

CC ++=+

+=++== 1

)/(1)/(50

El valor mnimo de K debe ser 1.25 con la finalidad de asegurar el ajuste a un valor que tome en cuenta los posibles errores de las corrientes (11%). Por tanto, se puede plantear que

25.11 >++

mSIRSIR

De donde se deduce que

SIRm < 2.08.0 En consecuencia, los ajustes del elemento instantneo (50) se aplican segn el valor del SIR de la lnea. En la figura 2.15 se muestra los valores de ajuste del elemento instantneo y se puede ver que solamente se aplica para lneas medianas y largas. Lo recomendable es un alcance del 50% del circuito protegido por lo que se ha resaltado un alcance entre el 20% y el 60% del circuito como valores prcticos recomendados. Esto significa que para un SIR de 3 solamente es posible proteger con el elemento (50) hasta el 20%, del circuito; pero, para un SIR de 1 se puede ajustar hasta el 60% del circuito.

Figura 2.15 Ajuste del elemento instantneo (50) segn el SIR



2.12 Ajuste y coordinacin de las protecciones de distancia 2.12.1 Arranque de la proteccin

El arranque de la proteccin de mnima impedancia requiere considerar lo siguiente:

1. Que sea inferior a la impedancia vista en las fases sanas en el momento de un cortocircuito fase a tierra.

2. Que sea inferior al 67% de la mnima impedancia de la carga. En caso se supere este

lmite, se debe considerar una apropiada caracterstica para impedir una falsa operacin debido a la carga conectada a la lnea

La impedancia de carga debe ser determinada (1) considerando la capacidad de corriente de la lnea en emergencia, asumiendo una tensin de 0.85 pu y un ngulo de fase de 30. Luego, la impedancia se debe calcular segn la siguiente expresin:

EMERGENCIA

NCARGA I

VZ =

385.0

Donde

ZCARGA = Impedancia de la carga VN = Tensin nominal del sistema IEMERGENCIA = Corriente admisible en la lnea en emergencia

En la figura 2.16 se muestra una adaptacin de la carga a la caracterstica de operacin del rel mediante el cercenado de una zona con un ngulo de carga.

(1) Este criterio ha sido tomado de una de las ultimas recomendaciones del NERC que indica should not operate at or below 150% of the emergency ampere rating of a line, assuming a .85 per unit voltage and a line phase angle of 30 degrees.



Figura 2.16 Caracterstica de cercenado por carga (Load encroachment)

2.12.2 Ajuste de las zonas de proteccin

El ajuste de las zonas de proteccin debe permitir alcanzar el final de la zona protegida, la cual corresponde no solamente al elemento protegido (lnea o transformador) sino tambin al elemento siguiente. Para ello, se debe considerar que existe un error mnimo del 15%. Los ajustes recomendados son con los siguientes alcances: Zona 1 85% de la impedancia de la lnea Zona 2 100% de la impedancia de la lnea ms el 50% de la impedancia de la lnea

siguiente. Zona 3 115% de la suma de la impedancia de la lnea con la de la lnea siguiente



Captulo 3 CRITERIOS PARA EL AJUSTE Y LA COORDINACION DE LA PROTECCION DE LAS CENTRALES ELECTRICAS

Para definir la proteccin de los grupos de las centrales elctricas se establecen los siguientes rangos para las unidades de generacin:

Mini Centrales Grupos con Potencia menor que 1 MVA Grupos Pequeos Potencia mayor o igual a 1 MVA y menor que 5 MVA Grupos Medianos Potencia mayor o igual a 5 MVA y menor que 50 MVA Grupos Grandes Potencia mayor o igual a 50 MVA

En el Plano RP-CE-01 se muestra las protecciones tpicas de los grupos pequeos. Se ha considerado como esquema general de la central la de varias unidades en paralelo con solo un transformador, que es el esquema ms usual para estos grupos. En el Plano RP-CE-02 se muestra las protecciones tpicas de los grupos medianos. Se ha considerado como esquema general de la central dos grupos conectados a un nico transformador elevador, que es el esquema ms usual para estos grupos. En el Plano RP-CE-03 se muestra las protecciones tpicas de grupos grandes. Se ha considerado como esquema general de la central la conexin generadortransformador, ya que es el esquema ms usual para estos casos que es el esquema ms usual para estos grupos. Para cada caso se incluye los criterios de ajuste y coordinacin de las protecciones graduadas, conforme al alcance establecido para el presente documento. En el capitulo 2 se ha incluido algunos aspectos generales a las protecciones unitarias, las cuales constituyen solamente una referencia sobre el ajuste de estas protecciones.

3.1 Configuracin de varios grupos en paralelo con un nico trasformador 3.1.1 Ajuste y coordinacin de las protecciones graduadas I ESCENARIOS Se debe definir los escenarios que corresponden a las mnimas y mximas corrientes de fallas, las cuales corresponden a los siguientes casos:

Tabla 3.1 Escenarios de fallas en centrales pequeas

En la central En el sistema interconectado Mxima corriente de falla

Con todos los grupos operando

Mxima demanda en estiaje o avenida, lo que ocasione el mayor nivel de cortocircuito en barras de alta tensin de la central

Mnima corriente de falla

Con solamente un grupo operando

Mnima demanda en estiaje o avenida, lo que ocasione el menor nivel de cortocircuito en barras de



alta tensin de la central II SIMULACION DE FALLAS Se debe simular las fallas en las barras de generacin y en las barras de alta tensin de la central. Estas fallas deben ser analizadas en cada circuito conectado a estas barras. Una manera prctica es considerar las fallas en el 1% de la impedancia del circuito conectado.

FALLA EN BORNES DE TRANSFORMADOR

FALLA EN BORNES DE LOS GENERADORES


Figura 3.1 Simulacin de fallas en Central Pequea Fallas en la barra de generacin

FALLA EN LINEA DE

TRANSMISION


Figura 3.2 Simulacin de fallas en Central Pequea Fallas en la barra de alta tensin



III CRITERIOS DE AJUSTE En la tabla 3.2 se indica las protecciones graduadas que requieren ser ajustadas

Tabla 3.2 Protecciones graduadas de las centrales pequeas

Rel de Proteccin Mirando fallas hacia la central

Mirando fallas hacia el sistema interconectado

50/51 Ubicado en el lado AT del transformador principal

En el transformador principal En las barras de generacin En los generadores En el Transf. Serv Aux

En la lnea de transmisin

50N/51N Ubicado en el lado AT del transformador principal

En el transformador principal


51/67 Ubicado en el lado BT del transformador principal

En las barras de generacin En los generadores En el Transf. Serv Aux

En transformador principal En la lnea de transmisin

50/51 Ubicado en los bornes del generador

En el propio generadores En los otros generadores

En el transformador principal En la lnea de transmisin

51V Ubicado en el lado neutro del generador

En los otros generadores En el propio generador En las barras de generacin En el transformador principal En la lnea de transmisin

50N/51N Ubicado en el lado neutro del generador

En los otros generadores

En el propio generador En las barras de generacin

50/51 Ubicado en los bornes AT del transformador de servicios auxiliares

En el transformador de servicios auxiliares

Para el ajuste se debe atender los requerimientos indicados en la tabla 3.3

Tabla 3.3 Ajuste de las protecciones graduadas de las centrales pequeas

Rel de Proteccin Por la instalacin

Por la mnima generacin


130% de la corriente nominal del transformador

Para detectar las fallas en las barras de generacin alimentadas por el sistema



Para detectar las fallas al final de la lnea con un grupo de la central

51/67 130% de la corriente nominal Para detectar las fallas en barras



Ubicado en los bornes del generador

del generador de alta tensin con solamente un grupo de la central


130% de la corriente nominal del generador




130% de la corriente nominal del transformador de servicios auxiliares

Para detectar las fallas en los bornes de baja tensin con un grupo de la central

IV CRITERIOS DE COORDINACION A) Para una falla en las barras de generacin

1. Las protecciones con restriccin de tensin (51V) de cada grupo medirn el aporte a la falla del propio grupo y deben actuar con un tiempo mximo de 500 ms.

2. La proteccin del lado de baja tensin del transformador (51/67) medir el aporte del

sistema a la falla y debe despejar la falla en un tiempo mximo de 500 ms (2). 3. La proteccin del lado de alta tensin del transformador (51) medir el aporte del

sistema a la falla y debe despejar la falla en un tiempo aproximado de 750 ms. Esta proteccin tiene un tiempo mayor de 500 ms porque debe coordinar con el lado de baja tensin del transformador.

B) Para una falla en los bornes de un generador

1. Las protecciones de sobrecorriente del grupo (51) medirn el aporte a la falla de los otros grupos y/o el sistema, debiendo actuar con un tiempo mximo de 250 ms.

2. La proteccin de sobrecorriente (51) de los dems grupos medirn el aporte a la falla

del propio grupo y deben actuar con un tiempo mximo de 500 ms. 3. La proteccin del lado de baja tensin del transformador (51/67) medir el aporte del

sistema a la falla y debe despejar la falla en un tiempo mximo de 500 ms. 4. La proteccin del lado de alta tensin del transformador (51/67) medir el aporte del

sistema a la falla y debe despejar la falla en un tiempo aproximado de 750 ms. Esta proteccin tiene un tiempo mayor de 500 ms porque debe coordinar con el lado de baja tensin del transformador.

(2) Las protecciones del lado alta tensin y baja tensin requieren dos ajustes diferentes segn la ubicacin de la falla; por tanto, estas protecciones deben tener unidades direccionales (67) y no direccionales. El ajuste menor debe ser aplicado a las unidades direccionales



C) Para una falla en los bornes de baja tensin del transformador

1. Las protecciones con restriccin de tensin (51V) de cada grupo medirn el aporte a la falla del propio grupo y deben actuar con un tiempo mximo de 500 ms.

2. La proteccin del lado de baja tensin del transformador (51/67) medir el aporte a la

falla de todos los grupos y debe despejar la falla en un tiempo mximo de 250 ms. 3. La proteccin del lado de alta tensin del transformador (51) medir el aporte del

sistema a la falla y debe despejar la falla en un tiempo aproximado de 750 ms. Esta proteccin tiene un tiempo mayor que 500 ms porque debe coordinar con el lado de baja tensin del transformador en la condicin descrita en A.3 y B.4.

D) Para una falla en los bornes de alta tensin del transformador

1. La proteccin del lado de alta tensin del transformador (50/51) medir el aporte del sistema a la falla y debe despejar la falla en un tiempo mximo de 250 ms.


falla de todos los grupos y debe despejar la falla en un tiempo de 500 ms. 3. Las protecciones con restriccin de tensin (51V) de cada grupo medirn el aporte a

la falla del propio grupo y deben actuar con un tiempo mximo de 1500 ms. Esta proteccin tiene un tiempo mayor que 500 ms porque debe coordinar con el lado de baja tensin del transformador.

E) Para una falla en la lnea de transmisin

1. La proteccin del lado de alta tensin del transformador (50/51) medir el aporte a la falla de todos los grupos y debe despejar la falla en un tiempo mximo de 500 ms.


falla de todos los grupos y debe despejar la falla en un tiempo aproximado de 750 ms. Esta proteccin tiene un tiempo mayor que 500 ms porque debe coordinar con el lado de alta tensin del transformador.

3.1.2 Proteccin de falla de interruptor (50BF 62BF)

A) Falla de interruptor de grupo La proteccin de falla de interruptor debe operar con dos temporizaciones que son:

1. Para la reiteracin del disparo al propio interruptor 150 ms 2. Para la apertura de todos los interruptores

conectados a la barra de generacin 250 ms B) Falla de interruptor de transformador lado baja tensin La proteccin de falla de interruptor debe operar con dos temporizaciones que son:



1. Para la reiteracin del disparo al propio interruptor 150 ms 2. Para la apertura de todos los interruptores

conectados a la barra de generacin 250 ms C) Falla de interruptor de transformador lado alta tensin La proteccin de falla de interruptor debe operar con dos temporizaciones que son:

1. Para la reiteracin del disparo al propio interruptor 150 ms 2. Para la apertura del interruptor

del lado de baja tensin del transformador 250 ms 3.2 Configuracin de dos grupos con un nico transformador

3.2.1 Ajuste y coordinacin de las protecciones graduadas I ESCENARIOS Se debe definir los escenarios que corresponden a las mnimas y mximas corrientes de fallas, las cuales corresponden a los siguientes casos:

Tabla 3.4 Escenarios de fallas en centrales medianas

En la central En el sistema interconectado Mxima corriente de falla

Con ambos grupos operando

Mxima demanda en estiaje o avenida, lo que ocasione el mayor nivel de cortocircuito en barras de alta tensin de la central

Mnima corriente de falla

Con solamente un grupo operando

Mnima demanda en estiaje o avenida, lo que ocasione el menor nivel de cortocircuito en barras de alta tensin de la central

II SIMULACION DE FALLAS Se debe simular las fallas en las barras de generacin y en las barras de alta tensin de la central. Estas fallas deben ser analizadas en cada circuito conectado a estas barras. Una manera prctica es considerar las fallas en el 1% de la impedancia del circuito conectado.



FALLA EN LINEA DE TRANSMISION



FALLA EN BORNES DE GENERADOR

Figura 3.3 Simulacin de fallas en Central Mediana

III CRITERIOS DE AJUSTE En la tabla 3.5 se indica las protecciones graduadas que requieren ser ajustadas

Tabla 3.5 Protecciones graduadas de las centrales medianas

Rel de Proteccin Mirando fallas hacia la central

Mirando fallas hacia el sistema interconectado


En el transformador principal En las barras de generacin En los generadores En el Transf. Serv Aux



En el transformador principal



En el propio generadores En los otros generadores

En el transformador principal En la lnea de transmisin


En los otros generadores En el propio generador En las barras de generacin En el transformador principal En la lnea de transmisin


En los otros generadores

En el propio generador En las barras de generacin




En el transformador de servicios auxiliares

Para el ajuste se debe atender los requerimientos indicados en la tabla 3.6

Tabla 3.6 Ajuste de las protecciones graduadas de las centrales medianas

Rel de Proteccin Por la instalacin

Por la mnima generacin



Para detectar las fallas en las barras de generacin alimentadas por el sistema



Para detectar las fallas al final de la lnea con un grupo de la central



Para detectar las fallas en barras de alta tensin con solamente un grupo de la central






130% de la corriente nominal del transformador de servicios auxiliares

Para detectar las fallas en los bornes de baja tensin con un grupo de la central

IV. CRITERIOS DE COORDINACION

A) Para una falla en los bornes de un generador

1. Las protecciones con restriccin de tensin (51V) de cada grupo medirn el aporte a

la falla del propio grupo y deben actuar con un tiempo mximo de 500 ms. 2. La proteccin de sobrecorriente (50/51) del grupo, la cual est conectada al grupo

fallado (3), medir el aporte a la falla que proviene del sistema y del otro grupo (a

(3) Debido a que las falla en los bornes del generador de un grupo pueden ser alimentadas por el otro grupo, a travs del transformador, esta falla debe desconectar a ambos grupos.



travs del transformador). Esta proteccin debe despejar la falla en un tiempo mximo de 250 ms. (4)

3. La proteccin de sobrecorriente (50/51) del grupo, la cual est conectada al grupo no

fallado debe despejar la falla en un tiempo aproximado de 750 ms. Esta proteccin tiene un tiempo mayor que 500 ms porque debe coordinar con la proteccin del grupo fallado.

4. La proteccin del lado de alta tensin del transformador (50/51) medir el aporte del

sistema a la falla y debe despejar la falla en un tiempo aproximado de 750 ms. Esta proteccin tiene un tiempo mayor que 500 ms porque debe coordinar con la proteccin de sobrecorriente del grupo fallado.

B) Para una falla en los bornes de baja tensin del transformador

1. Las protecciones con restriccin de tensin (51V) de cada grupo medirn el aporte a

la falla del propio grupo y deben actuar con un tiempo mximo de 500 ms. 2. La proteccin del lado de alta tensin d

Criterios Ajuste CP Rev0

Documents

Transcript of Criterios Ajuste CP Rev0