UNALProteccionLineas-JJVR

7/29/2019 UNALProteccionLineas-JJVR

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SEMINARIO

SEGURIDAD, RIESGO, CALIDAD Y PROTECCIONES ELÉCTRICASPROTECCIÓN DE LINEAS DE TRANSMISION

Jorge Juan Vásquez Ricardo

UNIVERSIDAD NACIONAL MEDELLÍN 5 al 7 de junio de 2006



Introducción

La protección de líneas de transmisión es una

de las disciplinas más importantes en el áreade la protección de sistemas de potencia.

Exige un conocimiento apropiado del marcoteórico asociado que sirva de soporte a losestudios y análisis necesarios para determinar

la forma más adecuada de brindar proteccióna una línea de transmisión, teniendo siempre

presente el sistema al cual está conectada.



Introducción (Cont)

Aunque estos aspectos abundan en la literatura,

para el desarrollo de la charla se plantearán lostemas de la filosofía y los requerimientos de las

protecciones, se orientará el estudio hacia elaspecto 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.




Se tendrán en cuenta las recomendaciones de la

IEEE en su guía para la protección de líneas detransmisión, 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 esteprocedimiento son los siguientes:




• Filosofía y requerimientos de un sistema deprotecciones.

• Dificultades asociadas con la protección de fallasa tierra

• Clasificación de la línea.

• Análisis general de las protecciones de distancia yde sobrecorriente direccional.

• Esquemas de Teledisparos• Esquema y criterios de ajuste seleccionados

• Conclusiones



Filosofía y requerimientos de unsistema de protecciones

La filosofía de protecciones es un compendio decriterios basados en factores como lascaracterísticas del sistema, los requerimientos

exigidos al sistema de protecciones y sus atributos yel tipo de esquemas en los cuales se materializarádicha filosofía.

Está sujeta a la experiencia, prácticas desarrolladasy a la forma como es planeado, diseñado y operadoel sistema.



Requerimientos:

Confiabilidad . Es la propiedad de un sistema deprotecciones de operar correctamente y se caracteriza por dos componentes:

La fiabilidad , que es el grado de certeza de que el sistemade protección operará correctamente, es decir, su habilidadpara operar cuando debe hacerlo.

El otro principio es la seguridad , que es el grado de certezade 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 hechode 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.



Fiabilidad, seguridad y selectividad

Como ilustración de estos conceptos, en condicionesnormales 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 confiabilidadpor una pérdida de fiabilidad. Pero si el relé R5 opera

haciendo abrir el interruptor B5 para la misma falla antes deque el interruptor B2 la aclare, entonces R5 perdióconfiabilidad por una pérdida de seguridad.



Selectividad. Es la habilidad de un sistema de protección

de determinar adecuadamente la ubicación de una falla yaislarla, al tiempo que minimiza la porción de sistema quesale de servicio. Cuando ocurre una falla, se debe despejar

por los relés adyacentes a la misma, evitando la salida deotras porciones del sistema. La selectividad se define entérminos de zona de protección de la cual un determinado

relé es responsable y será selectivo si responde solo parafallas dentro de su zona asignada. Un caso no selectivopodría ser también el del relé R5 de la Figura anterior.



Velocidad. Los relésdeben eliminar las fallasen el menor tiempoposible. Sin embargo,

deben tomarse ciertotiempo en la toma de unadecisión con alto grado

de certeza.

La relación entre la respuesta del relé y el grado de certezacon el que opera es inversa, por lo que los requerimientos develocidad deben determinarse muy cuidadosamente,teniendo en cuenta que si la protección es muy lenta elsistema puede desestabilizarse y los equipos pueden sufrir

daños, pero si la protección es demasiado rápida se puedenver comprometidas la seguridad y la selectividad.



Sensibilidad. Es la capacidad de detectar todo tipo defallas. Se refiere a las mínimas cantidades actuantes con

las cuales se debe ajustar el relé para que detecte unacondición anormal. Hay que tener en cuenta factoresafectan la sensibilidad como las fallas de alta impedancia,

altos valores de SIR y desbalances del sistema.Simplicidad. La solución a situaciones difíciles debe hacersetan simple como sea posible, lo cual se aplica también al

diseño de los sistemas de protección. La probabilidad y lasconsecuencias de un error humano en la aplicación uoperación de una solución muy compleja, pueden ser, con

mucho, peores que los problemas que supuestamente debenresolver. Es necesario ser cuidadosos con los relésmultifuncionales en la implementación de ciertas aplicaciones,pues una aplicación incorrecta o incompleta puede tener consecuencias más graves que si no se implementaran.



Redundancia. Estacaracterística se logra con

esquemas de protecciónduplicados, protección derespaldo local, respaldo

remoto. Además de losrelés, es necesaria laduplicidad de los sistemasde alimentación de DC, losnúcleos de los TCs, lasbobinas de disparo. Por consideraciones de costo, el

interruptor no se duplica,pero se debe instalar unaprotección contra falla de

interruptor.



• Efecto de un sistema no homogéneo en los

elementos de reactancia



Cuando las fuentes del sistema vistas desde un lado yotro de la línea tienen una relación X/R diferente

(Desigualdad del ángulo de la impedancia de la fuente yde la línea), dan lugar a un error en la medida de ladistancia 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 secuenciacero 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 lasimpedancias 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 impedanciaEl efecto de la resistencia en el sitio de la falla reduce el alcance efectivoen 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 veafectada 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 desecuencia 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 demedida 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 decompensación 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.



Las líneas se deben clasificar según el valor del SIR

(Source to Line Impedance Ratio) que es la relación entrela impedancia de la fuente situada detrás de la protecciónde la línea y la impedancia de la línea (SIR = ZS/ZL), y nosolamente según su longitud, como se establece en laGuía 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.

Clasificación de la línea



Por ejemplo, con un voltaje nominal de 110 kV y unapotencia base de 100 MVA, una reactancia inductiva

típica de la línea de 0.00395 pu/Km (0.478 Ω/Km) yun nivel de cortocircuito de 3850 MVA en unasubestación, se tendría una impedancia de fuente de

0.026 en pu. Así, las líneas de menos de 1.65 Kmserían cortas (SIR>4) mientras que las de más de13.16 Km (SIR<0.5) se considerarían largas.

Un valor de SIR alto implica que los voltajes en el sitio de



Un valor de SIR alto implica que los voltajes en el sitio deubicación del relé serán bajos. La magnitud de las corrientes

también puede ser baja si el SIR alto se debe más a unafuente débil que a una impedancia de línea baja. Lascorrientes y voltajes bajos afectan la velocidad, alcance ydireccionalidad de los relés de distancia. El valor del SIR es elfactor que determina la precisión y velocidad con que operanlos relés de distancia (zona1). Nótese que mientras más altosea el SIR, mas lenta es la operación del relé.



Del cálculo del valor del SIR para las líneas sederivan recomendaciones en cuanto a la aplicación

de los esquemas de protección y de teledisparosadecuados 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 protecciónde líneas cortas el uso de esquemas de proteccióncompletamente selectivos mediante el uso deesquemas de teledisparos, principalmente el POTTy la comparación direccional. Siempre que se utilice

la zona 1, se debe proporcionar cubrimiento a laresistencia de arco y a la impedancia de falla, lascuales pueden ser significativas comparadas con la

impedancia de la línea.



- Para la protección de líneas de longitud media, se puedeutilizar sin problema la protección de distancia, dado que ladiscriminación del relé es más efectiva en líneas con SIRmenor que 4. Para lograr velocidades mayores y mejorescubrimientos a fallas de alta impedancia, se deben usar losesquemas piloto (PUTT, POTT, etc.)

- Las líneas largas permiten el uso de variados esquemaspara su protección tanto con distintos tipos de relés como de

esquemas de teledisparo. Estas líneas requieren disparosde alta velocidad para evitar problemas de estabilidad en elsistema.

A áli i l d l t i d di t i



Análisis general de las protecciones de distanciay de sobrecorriente direccional

Los relés de distancia utilizan la relación entre el voltaje y lacorriente para determinar si la falla está en la zona deprotección del relé. Las características de estos relés sepueden describir en el diagrama R-X y se ajustan de acuerdocon 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 lascorrientes de falla. En operación normal la impedancia es alta yresistiva. Durante las fallas es baja y reactiva. Este cambiorepentino determina la ocurrencia de una falla y si ésta se

encuentra dentro de su zona de protección.



Característica Cuadrilateral de Distancia para fallas aTierra

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 estacaracterística operará si la impedancia medida estádentro del rectángulo definido por esos cuatro elementos.



Ventajas: su cubrimiento resistivo es mayor queel del elemento Mho; proporcionan disparos dealta velocidad para fallas resistivas en ausencia

de teledisparos.

Desventajas: los afectan los errores en las

medidas de corriente y voltaje cuando el alcanceresistivo es mucho mayor que el reactivo; losafectan los sistemas no homogéneos (diferente

ángulo entre impedancias de fuente y línea); losafecta el acoplamiento mutuo de secuencia ceroen líneas paralelas.

C t í ti Mh d Di t i f ll Ti



Característica Mho de Distancia para fallas a Tierra

Estas características se desarrollan mediante la comparacióndel ángulo de fase entre las señales del voltaje de operación ydel voltaje de polarización.

Cuando la memoria de polarización del elemento Mho es desecuencia positiva, se obtiene una respuesta dinámica quemejora el cubrimiento de fallas resistivas.



Ventajas: Fácil de ajustar; la diferencia de ángulos defuente y línea los afecta menos que a la característicacuadrilateral. Para condiciones de fuente débil, un

elemento Mho puede ofrecer mayor cubrimiento a fallasresistivas cercanas que el elemento cuadrilateral.

Desventajas: provee cubrimiento resistivo limitadopara fallas al extremo del alcance del elemento; proveecubrimiento resistivo limitado en condiciones de fuentefuerte; es influenciado por el acoplamiento mutuo desecuencia cero.

Relés de sobrecorriente direccionales



Relés de sobrecorriente direccionales

Los relés de sobrecorriente direccionales de fases otierra son controlados por una unidad direccional, con locual sólo responden a fallas en una dirección. Pueden

ser de operación instantánea o temporizada y su funciónnormalmente se prefiere como protección de respaldocon la debida coordinación.

Los sobrecorrientes direccionales de tierra oresiduales, pueden a su vez ser de secuencia cero o

de secuencia negativa, cada uno con sus respectivasventajas. Este tipo de relés se usa como protecciónsensitiva contra fallas a tierra de alta impedancia encooperación 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 desecuencia cero del sistema, causada por una falladesbalanceada que involucre tierra. Estos relés se puedenajustar de manera sensible puesto que en condiciones decarga normales se genera una corriente de secuencia ceromuy baja. Se puede proveer un cubrimiento muy efectivo delas 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 fallasresistivas; fácil de ajustar, entender y visualizar; no

los afecta la carga puesto que ésta tiene unimpacto pequeño en la magnitud de la corriente desecuencia cero

Desventajas: se ven afectados por los cambios dela fuente; los afecta el acoplamiento mutuo desecuencia cero; los afecta el desbalance de carga;

impacto negativo de los conductores de faseabiertos.



Sobrecorriente de tierra de secuencia negativa

Los relés de sobrecorriente de secuencia negativa hanganado popularidad como método para la detección de

fallas a tierra de alta impedancia. La corriente de secuencianegativa puede aparecer siempre que se presentendesbalances en el sistema. Las fuentes principales de

desbalance son las fallas asimétricas, líneas notranspuestas, y cargas desbalanceadas. Como en el casode los sobrecorrientes de secuencia cero, los desbalances

del sistema afectan significativamente la sensibilidad de losajustes de un elemento de sobrecorriente de secuencianegativa.



Ventajas: proveen muy buen cubrimiento a fallas

resistivas; proveen un mayor cubrimiento para fallasresistivas en el extremo opuesto de la línea, que loselementos de corriente de secuencia cero; son insensiblesal acoplamiento mutuo de secuencia cero en líneasparalelas; no los afecta el tamaño de la carga pues tienepoco impacto en la magnitud de corriente de secuencianegativa; mejores que los elementos de secuencia cero

cuando la fuente es fuerte, pues el voltaje de secuencianegativa es mayor que el de secuencia cero.

Desventajas: los afectan los cambios en el tamaño de lafuente; los afectan los desbalances de carga; se venafectados por los conductores de fase abiertos



Notas comparativas

Distancia VS SobrecorrienteLa mayor ventaja de los relés de distancia es que la zona deoperación es una función de la impedancia de la línea

protegida, la cual es una constante, y es relativamenteindependiente de las magnitudes de corriente y voltaje. Losrelés de distancia tienen alcance fijo, al contrario de los relésde sobrecorriente para los cuales la zona de protección varíacon 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 dealta resistencia. El voltaje medido por el relé es la suma de lacaída de voltaje de la línea hasta el punto de falla más lacaída de voltaje en la resistencia de falla. Esta última puede

variar debido al efecto infeed desde el otro extremo de lalínea, el cual actúa como un amplificador de la resistencia defalla lo que no ocurre en una línea radial.



Mho VS Cuadrilateral

La característica Mho es popular por tener un alcance biendefinido, es inherentemente direccional y puede tolerar

resistencias de falla bastante bien sin errores serios desobrealcance debidos a la carga o a diferencias entre losángulos de las impedancias de la fuente y de la línea.

Bajo condiciones de fuente fuerte, la característicacuadrilateral puede proporcionar un mayor cubrimiento deresistencia de falla que la característica dinámica del elemento

Mho, pero tiene menor seguridad para fallas externas cuandolos ángulos de la impedancia de la fuente y de la línea sondiferentes (sistema no homogéneo)

Comportamiento de los elementos de



Comportamiento de los elementos deSobrecorriente Direccional y Distancia frente a

fallas de alta impedancia

Haciendo la comparación entre el cubrimiento de la fallaresistiva usando únicamente la función de distancia de tierrao la de sobrecorriente de tierra y considerando el uso de unesquema de teledisparo, se puede observar el mayor cubrimiento del 67 sobre el 21 puesto que a medida que lafalla se aleja de la barra, la magnitud de resistencia de falladetectada por los elementos de distancia y sobrecorriente va

disminuyendo. Esta disminución se debe al efecto infeed desde el terminal opuesto. Dicho infeed actúa como unamplificador.



Los elementos de distancia también proveen uncubrimiento aceptable para fallas de alta impedancia.

Sin embargo los elementos Mho brindan uncubrimiento muy pequeño además de que sonafectados adversamente por el acoplamiento mutuode secuencia cero. Los elementos de distanciacuadrilateral ofrecen un mejor cubrimiento que elMho, pero también los afecta el acoplamiento mutode secuencia cero.

La manera más adecuada para proteger las líneas en



La manera más adecuada para proteger las líneas enpresencia de fallas a tierra de alta impedancia, son los

esquemas de sobrecorriente direccional de secuenciacero y negativa, en especial este último. Es indispensableinvolucrar los esquemas de teledisparo para dar esecubrimiento 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 ComparaciónDireccional

– Aceleración de Zona

– DUTT (Direct Underreaching Transfer Trip): DisparoDirecto Transferido en subalcance.

PUTT (Esquema de teledisparo en subalcance permisivo). El PUTTrequiere de una función de subalcance (zona 1) que dispara el interruptor



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 cuandoreciba la señal si su elemento de zona 2 está detectando una falla. ElPUTT no enviará señal para fallas por fuera de la sección de la línea. Esteesquema 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 POTTl t d 2 b l (t bié d l



usa un elemento de zona 2 en sobrealcance (también se puede usar lazona 1 a más del 100% de la línea) para enviar una señal al extremoremoto. El interruptor abre cuando recibe la señal si su elemento de zona2 (o el de zona 1 en sobrealcance) está detectando una falla. Con fallasexternas solamente operará una de las unidades de sobrealcance, por loque no se efectuará disparo en ninguno de los terminales. El esquema esseguro ya que no dispara para falla externa, pero es menos fiable por losposibles problemas en el canal de comunicaciones, caso en el que nohabría disparo ante fallas internas. Este esquema necesita lógica deinversión 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 relésasociados verán la falla hacia delante y cada uno envía una señalpermisiva al otro extremo produciéndose el disparo. Normalmente, esteesquema se implementa con relés de sobrecorriente de tierra

direccionales, muy sensibles para la detección de fallas de altaimpedancia. También necesita una función de inversión de flujo enlíneas paralelas.

Criterios de ajuste generalmente recomendados



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 laszonas 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



jdebe tener en cuenta no sólo la impedancia de la línea a

proteger sino también las de las líneas adyacentes, dadoque el ajuste de algunas de las zonas del relé de distanciacubre 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 lolargo de la línea. Se ajusta entre el 80 y 90% de laimpedancia 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 condicionesdinámicas del sistema que podrían ocasionar sobrealcance.

Para calcular su ajuste, se usa la expresión:

donde:

Z1 = Ajuste de Zona 1, K = Constante, ZL = Impedancia desecuencia 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 ala barra de la subestación remota y a las líneas que salen de

ella. Como valor mínimo de ajuste se escoge el 120% de laimpedancia de la línea propia ó el 100% más el 50% de lalínea adyacente más corta. Estos ajustes pueden modificarse

con el análisis del efecto infeed . No debe sobrealcanzar laZona 1 de los relés de las líneas adyacentes ni operar parafallas en los niveles secundarios de los transformadores dela subestación remota ajustándola como máximo en la sumade la impedancia total de la línea a proteger más el 80% dela impedancia equivalente de dichos transformadores

Análisis del efecto infeed en Zona 2 . Se presenta debidoa la existencia de fuentes intermedias que alimentan la falla



a la existencia de fuentes intermedias que alimentan la falla

por lo que es necesario introducir un ajuste a la impedanciaque ve el relé, denominada Impedancia aparente.

I2 incluye el aporte de los demás circuitos, diferentes de lalínea bajo coordinación, que aportan al cortocircuito. El



línea bajo coordinación, que aportan al cortocircuito. Elajuste de la zona 2 puede hacerse incluyendo el efectoinfeed, considerando la posibilidad de que las fuentesintermedias desaparezcan, por lo que el relé quedaríasobrealcanzando.

Para la selección del tiempo de disparo de la Zona 2 se debetener en cuenta la existencia o no de un esquema de

teleprotección en la línea. Si lo tiene, se selecciona un tiempode 400 ms; si no, este tiempo se determina mediante unanálisis de estabilidad del sistema ante contingencias en el

circuito. Este tiempo (tiempo crítico de despeje de fallasubicadas 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 3El criterio de ajuste es la impedancia de la línea a proteger



j p p gmás un 80% del valor de Z de la línea adyacente más larga,teniendo en cuenta que no sobrepase el 80% de laimpedancia equivalente de los transformadores en la barraremota. También debe limitarse si su valor se acerca al punto

de carga de la línea. Tiempo de Zona 3: 800 ms Alcance resistivoEl criterio general es seleccionar un único valor para las

diferentes zonas, permitiendo establecer la coordinación através de los tiempos de disparo de cada zona. Los valorestípicos resistivos son calculados como el 45% de la impedancia

mínima de carga o de máxima transferencia del circuito encuestión.

Donde: VL: Tensión nominal mínima línea - línea.MCC: Máxima Corriente de Carga



Criterios de ajuste recomendados para las funciones desobrecorriente direccional

Estos elementos pueden contar o no con esquema deteleprotección. Cuando funcionan como protección derespaldo deberán operar temporizadas para permitir a laprotección principal la decisión sobre la aclaración de la falla.

Deben proporcionar un alto grado de selectividad para lamayoría de los casos en que falle la protección principal de lalínea. 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 normalmentelas fallas en la línea.

Protecciones de sobrecorriente de fases



Protecciones de sobrecorriente de fases

Debe detectar la menor corriente de falla y a la vez permitir laoperación normal y en contingencia. No debe actuar comoprotección de sobrecarga puesto que esta labor corresponde a

una supervisión de la operación del sistema. El criterio para elvalor de arranque debe considerar la mayor corriente de cargaante 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) quepermita 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 máximodesbalance residual observado en operación (máximatransferencia), teniendo presente que fallas en el sistema de

baja tensión pueden elevar momentáneamente estedesbalance.

Se selecciona un valor de ajuste del 30% (200 A) con lo que

se logra un margen adecuado para prevenir disparosindeseados por desbalances y garantizando una coberturaamplia para fallas de alta impedancia. Para la coordinación, se

escoge una curva normalmente inversa (NI) con tiempo deoperación de 0,4 s con el aporte de corriente de fallamonofásica cercana, que permita la actuación de la protección

principal.



Selección del esquema de protección

El esquema seleccionado se fundamenta en una filosofíabasada en la fiabilidad, con niveles adecuados de

seguridad, apoyados en esquemas de teledisparo y conbase en una configuración de respaldo local y respaldoremoto. Es un esquema simple que ofrece altos niveles deredundancia, sensibilidad, selectividad y velocidad.

El esquema seleccionado estaconstituido de la siguiente manera:



g

Protección Principal 1

– Relé de distancia con característica Mho para fallasentre fases y con característica cuadrilateral parafallas 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 atierra.

A l PP1 l j t l Z 1 l 85% d l i d i d



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, operaráautónomamente y enviará su señal permisiva al otro extremo.

La Zona 2 se ajusta para un valor del 100% de la propia líneamás un 50% de la línea adyacente más corta, y considerandolos 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 actuarácomo respaldo remoto.

La Zona 3 se ajusta al 80% de la línea adyacente más larga,

considerando el efecto infeed , lo mismo que las impedanciasde las cargas conectadas en la barra remota. Actúaexclusivamente como respaldo remoto.



Protección Principal 2

– Relé de sobrecorriente direccional de tierra conelemento de secuencia negativa.

– Esquema de teleprotección permisivo encomparación 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 desobrecorriente direccional de tierra en un valor correspondiente al 30% de la corriente nominal. Cuando

el relé llega a este umbral, emite una señal permisiva alextremo remoto e igualmente queda a la espera de lacorrespondiente señal permisiva desde el otro extremopara emitir el disparo.

Para actuar como respaldos, a los elementos de fases ytierra del relé se les habilitan las curvas de

temporización, coordinándolas para que con fallascercanas y lejanas pero dentro de la misma línea,proporcionen el respaldo a las funciones principales delas dos protecciones PP1 y PP2.



Protecciones de respaldo

– Se establecen como respaldo las funcionesinherentes 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 condicionadospor ningún otro elemento actuando como protecciónprincipal, además de la existencia de respaldos locales yremotos

Seguridad, la cual es proporcionada por la correctacoordinación (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 deprotección principal en paralelo, con independencia desus principios de operación para evitar los modos de

falla comunes

Selectividad está garantizada por la definición adecuadad l d t ió l d d di ió



de la zona de protección y por la adecuada coordinacióntanto de los alcances, como de los tiempos. Los esquemasde teledisparo juegan un importante papel en laselectividad, 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 tienea su cargo la detección de las fallas a tierra de altaimpedancia. Se implementó un esquema completamente

selectivo, permisivo en comparación direccional, es decir,el relé puede ser ajustado a su máxima sensibilidad sinpeligro de producir disparos inseguros puesto que elesquema de teledisparo no lo permite.

Velocidad porque se hace diferencia entre las protecciones



principales y los respaldos mediante una coordinación, quepermite minimizar tiempos a niveles tolerables por el sistemay los equipos. Se garantizan disparos instantáneosconfiables dentro de la zona protegida en asocio con losesquemas de teledisparo, lo mismo que disparos retardadosselectivos de los relés de respaldo

Simplicidad porque mientras más complejo sea unsistema, 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 deinversión de flujo. En cambio el de comparación direccionalsi lo exige, por lo que se debe tener sumo cuidado en la

implementación de esta aplicación.

Ejemplo



j p

Se seleccionó para el caso de estudio la línea OrienteRionegro, que es la línea más corta del sistema, tanto

física como eléctricamente:

Ajuste del relé de distancia, extremo de Rionegro. Parala línea corta se utiliza el esquema POTT, surgen dosalternati as na más fiable con los aj stes normales



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 acuerdocon 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 seve 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 unadisminución sustancial de la corriente causante del infeed,sobrepasa el 100% de la impedancia de cualquiera de laslíneas que salen de Oriente, por lo que es necesario limitar su valor evitando que sobrealcance el valor de ajuste de laZona 1 de la línea Oriente Córdoba por ser la más corta.

Este sobrealcance sería adecuado si el esquema fuerasolamente POTT sin utilizar la zona 2 como respaldo. Por lotanto, de acuerdo con los criterios establecidos (mayor

fiabilidad posible), se debe reajustar la Zona 2 sinconsiderar el efecto infeed



Para el esquema alternativo, se usa el elemento deZona 1 para los envíos permisivos, con el alcancecorrespondiente al calculado para la zona 2, afectada

por el efecto infeed. Con esto se logra un cubrimientomuy grande y una buena velocidad, pero se pierdefiabilidad en caso de daño del canal decomunicación.

Los demás ajustes (zona 2 y 3) quedan iguales,proporcionando respaldo remoto.

Ajuste del relé de distancia, extremo de Oriente. Setiene 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 deRionegro.



El proceso para ambos tipos de relés es básicamenteel 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 primariosI 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 fallacercana, t = 400 ms (para 17 Is)

Para el extremo de Oriente, el procedimiento esigual, lo mismo que los valores en corrientes



primarias y secundarias. Varía el “dial” de la curvapara conservar el criterio de tiempos, puesto que lascorrientes 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 fi losofía de protecciones, y los equipos de

protección

De estas dos consideraciones (filosofía y equipos), laprimera se ha mantenido relativamente invariable con elpaso 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 equiposde protección, el avance ha sido acelerado, pasando de

los tradicionales (ya obsoletos) relés electromecánicos,a los electrónicos y a los de tecnología digital ynumérica, introduciendo un sinnúmero de ventajasadicionales.

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 enforma absoluta, pues las funciones de protección nopueden estar condicionadas.

Funciones principales:• Protección• Control

• Medida• Automatización• SupervisiónVentajas más importantes:

• Permite la comunicación digital directa entre relés y conotras subestaciones• Las funciones de medición del relé reemplazantransductores de medida que son menos confiables.• El procesador lógico de la protección reemplaza los PLCs

Esquema integrado de protección y control



Gest ión rem ot a de Pro t ec c iones

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 tecnologíaque 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 FasoresSincronizados



Registro continuo de magnitudes del sistema paraaplicaciones 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 deamortiguamiento

Mitigación de la pérdida de sincronismo

Funciones de Protección de Área Extensa

Protección Contra Arco Eléctrico



Cuando se presenta una falla con arco eléctrico, seproduce un aumento instantáneo en la intensidad

de luz (varios miles de veces) proveniente de dichafalla. Esta circunstancia es aprovechada por losrelés de protección contra arco eléctrico para,mediante sensores ópticos, detectar este tipo defallas y en combinación (por seguridad) con relés deprotección instantáneos, producir disparos en pocosmilisegundos. Esta protección puede reemplazar o

complementar las protecciones de barras en mediay baja tensión y tiene la ventaja adicional de que noes necesario coordinarla con otros relés.

Definición de Falla de ARCO



• Es un cortocircuito entre una parte viva y tierra o entrepartes vivas donde la corriente circula a través del aire oplasma

• La resistencia del cortocircuito de ARCO puede variar.

Puede haber alta resistencia con niveles de falla bajos.•El cortocircuito de ARCO produce una alta radiacióntanto de luz invisible como visible (300 … 1500 nm)

• Crecimiento rápido de presión y temperatura. Alcanzantemperaturas extremas (> 10000 °C) causando incendiodel metal y creaicón gases tóxicos

• Alta presión. El cobre se expande 67,000 veces desólido 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. LaResistencia durante la descarga del ARCO puede



variar. La Energía es proporcional a ~ I² x t.

0 100 200 400 ms

Incendio decables

Incendio del cobre

Incendio del acero

I²t, kA² s

Tiempo total de cortecon protección de ARCO7 + (50 .. 80)ms

El daño causado por el ARCO dependede la corriente y la duración del Arco



Poco o ningúndaño para el

equipo o heridas para el personal

Personal y equipos sufrenheridas y daños

Daño exesivo al equipo y heridas al personal

0 100 200 500 ms

I²t, kA² s

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 luminosidaddel arco

• La detección puede hacerse con sensores ópticosindividuales o utilizando una fibra óptica continua

• Puede ser supervisado por corriente (detectoresde falla)

• No necesita ser coordinado con ningunaprotección existente

• Proporciona operación cuasi instantánea paracualquier magnitud de corriente de falla

• Reduce ostensiblemente los niveles de energíaincidente




• La fibra óptica en toda su longitud funcionacomo un sensor

• Protege fácilmente estructuras complejas

• Longitud máxima de la fibra sensora = 60 m• Pulsos de prueba regulares verifican lacontinuidad de la fibra




• 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 un acercamiento a los aspectos teóricos

relacionados con el tema de protecciones en la medida en



relacionados con el tema de protecciones en la medida enque es necesario tener un cabal entendimiento de losfundamentos, filosofías, criterios y experiencias asociados a

este campo para una correcta aplicación de los esquemasque se derivan de allí, a los diferentes casos que sepresentan.

Es importante alcanzar un conocimiento adecuado de laproblemática asociada con las líneas según su clasificaciónde acuerdo con sus parámetros, para lo que la guía de la

IEEE (IEEE Guide for Protective Relay Applications toTransmission Lines, IEEE Standard C37.113-1999) es degran ayuda.

I l t d b bi l dif t ti d



Igualmente, se deben conocer bien los diferentes tipos derelés que forman parte de los esquemas de protección, asícomo los sistemas de teledisparo.

Se propusieron los criterios de ajuste generales para unacorrecta coordinación de protecciones, de acuerdo con la

selección de los esquemas más adecuados y que respondana la filosofía y requerimientos previamente adoptados segúnlos tipos de falla, la clase de línea y su importancia.

Finalmente se hizo un pequeño recuento de algunosavances en el campo de las protecciones.

BIBLIOGRAFÍA

• BLACKBURN J Lewis Protective Relaying Principles and



• BLACKBURN, J. Lewis. Protective Relaying Principles and Applications.• COON, Vivian. Analysis of Distance Protection.• Guías para el buen ajuste y la coordinación de protecciones en el

STN. ISA-IEB• HOROWITZ, Stanley and PHADKE, Arun. Power System Relaying.• IEEE Guide for Protective Relay Applications to Transmission Lines,

(IEEE Standard C37.113-1999)• MONEY, Joe and PEER, Jackie. Application guidelines for groundfault protection.• VASQUEZ, Jorge J. Esquema teórico y procedimiento para la

protección de líneas cortas.• WARD, Solveig. Comparison of quadrilateral and mho distancecharacteristics.



Gracias

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